Explorer l’information quantique

Selon les lois de la mécanique quantique, des atomes peuvent être dans un état de superposition quantique. La superposition est un peu comme d’être à 2 endroits en même temps. Par contre, lorsque l’on observe une superposition quantique, la particule doit « décider » où elle se trouve, et on ne peut la voir qu’à l’un des 2 endroits.

Le domaine de l’information quantique cherche à comprendre et à exploiter les propriétés du monde quantique.

La mémoire d’un ordinateur classique est formée d’une suite de bits qui représente un nombre (celui-ci peut à son tour représenter une image, un texte ou n’importe quoi d’autre). L’ordinateur effectue des calculs en changeant ce nombre selon les instructions données par le programme. Si l’on pouvait construire un ordinateur dont les éléments de mémoire seraient des atomes individuels ou d’autres objets microscopiques, la mémoire de cet ordinateur pourrait être dans un état de superposition quantique. L’information stockée dans un tel ordinateur serait une information quantique, formée de qubits (ou bits quantiques) au lieu de bits. Un ordinateur quantique pourrait effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que n’importe quel ordinateur classique réalisable.

Les propriétés des qubits sont parfois très différentes de celles des bits classiques. On ne peut pas copier un qubit pour en obtenir plusieurs exemplaires. Un qubit peut aussi être en état d’intrication. C’est un état quantique particulier qui permet à 2 qubits d’être en corrélation plus forte que ce qui est possible avec des bits classiques. Ces propriétés particulières permettent d’autres applications surprenantes de la mécanique quantique. À titre d’exemple, la cryptographie quantique permet de créer des codes secrets plus sécuritaires en profitant de la résistance des qubits à la copie.

Les scientifiques de l’Institut Périmètre dans le domaine de l’information quantique cherchent notamment à comprendre les propriétés de l’information quantique. Il peut s’agir de trouver de nouvelles technologies rendues possibles par l’information quantique (p. ex. des protocoles de cryptographie quantique). Il peut s’agir de trouver les limites de la puissance de l’information quantique (p. ex. en se rendant compte que certains problèmes de calcul sont probablement trop difficiles à résoudre même pour un ordinateur quantique).

Parfois, nous essayons de comprendre en quoi les systèmes quantiques diffèrent des systèmes classiques (en comparant les systèmes quantiques faciles à simuler dans un ordinateur classique et ceux qui ne le sont pas). Parfois, nous essayons simplement de comprendre le comportement étrange des états quantiques, sans avoir d’application particulière à l’esprit (p. ex. en étudiant la structure d’états intriqués complexes).

La construction d’un ordinateur quantique est une tâche colossale, à cause des défis que pose la manipulation d’atomes individuels avec une grande précision. Certains des professeurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) associés à l’Institut Périmètre font des expériences qui visent la création d’ordinateurs quantiques. De notre côté, nous faisons une bonne partie du travail théorique qui peut aider à réaliser cet objectif à long terme. Nous étudions la correction d’erreurs quantiques et les calculs quantiques insensibles aux défaillances, afin que les expérimentateurs puissent construire plus facilement des ordinateurs quantiques de grande taille sans que chaque composante de ces ordinateurs ait besoin d’être parfaite. Nous réfléchissons aussi à de meilleures manières de mesurer les propriétés de systèmes quantiques, en particulier ceux que l’on utilise pour construire un ordinateur quantique.

Une meilleure compréhension des propriétés des états quantiques peut aussi rapporter des dividendes dans d’autres domaines de la physique, car bien des systèmes qui intéressent les physiciens sont intrinsèquement quantiques. Un certain nombre de chercheurs de l’Institut Périmètre travaillent à la fois sur l’information quantique et sur la matière condensée ou les fondements quantiques. Ils s’intéressent aussi aux applications des notions d’information quantique à la physique des particules, à l’astronomie, à la théorie des cordes et à la gravitation quantique.