Parmi leurs nombreux travaux, les chercheurs de l’Institut Périmètre se penchent sur la correction des erreurs quantiques (les techniques nécessaires pour protéger et vérifier l’information face aux erreurs inhérentes au calcul quantique), l’étude de la complexité quantique (qui vise à classifier les problèmes informatiques selon leur niveau de difficulté pour un ordinateur quantique), et l’application des techniques et des concepts de l’information quantique à d’autres domaines de la physique, y compris les fondements quantiques et la matière condensée.
La mécanique quantique permet aux atomes d’être dans un état de superposition quantique. La superposition est un peu comme être à deux endroits en même temps. Cependant, dès qu’on observe une superposition quantique, la particule doit « choisir » où se situer, et on ne peut la voir qu’en un seul endroit à la fois.
L’information quantique est l’effort visant à comprendre et à exploiter les propriétés du monde quantique.
La mémoire d’un ordinateur classique consiste en une séquence de bits représentant un nombre (qui peut lui-même représenter une image, un texte ou toute autre information). L’ordinateur effectue des calculs en modifiant ce nombre selon un programme. Si, au lieu de cela, nous construisons un ordinateur à partir d’atomes individuels ou d’autres objets microscopiques, la mémoire de cet ordinateur pourrait exister sous forme de superposition quantique. L’information stockée dans un tel ordinateur serait de l’information quantique, composée de qubits (pour « quantum bits ») au lieu de bits classiques. Un ordinateur quantique pourrait effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que n’importe quel ordinateur classique plausible.
Les propriétés des qubits sont parfois très différentes de celles des bits classiques. Les qubits ne peuvent pas être copiés pour créer plusieurs répliques. Une autre propriété essentielle des qubits est l’état d’intrication. Ces états quantiques particuliers permettent à deux qubits d’être corrélés à un degré bien supérieur à celui des bits classiques. Ces propriétés spéciales ouvrent la voie à des applications surprenantes de la mécanique quantique, comme la cryptographie quantique, qui permet de créer des codes secrets plus sécurisés en exploitant la résistance des qubits à la copie.
L’un des principaux axes de recherche sur l’information quantique à l’Institut Périmètre est de comprendre les propriétés de l’information quantique. Parfois, cela consiste à identifier de nouvelles technologies rendues possibles par l’information quantique (comme de nouveaux protocoles de cryptographie quantique). Parfois, nous explorons les limites de l’information quantique (par exemple, en découvrant que certains problèmes informatiques sont probablement trop complexes, même pour un ordinateur quantique).
Nous cherchons également à identifier les différences entre les systèmes quantiques et les systèmes classiques, en étudiant la distinction entre les systèmes quantiques pouvant être facilement simulés sur un ordinateur classique et ceux qui ne le peuvent pas. Parfois, nous nous concentrons simplement sur la compréhension du comportement étrange des états quantiques, sans application immédiate en vue (par exemple, en étudiant la structure d’états intriqués complexes).
La construction d’un ordinateur quantique est une tâche ardue en raison des défis liés à la manipulation précise des atomes individuels. Certains de nos professeurs associés à l’Institut d’informatique quantique (IQC) mènent des expériences visant à construire des ordinateurs quantiques. À l’Institut Périmètre, nous menons de nombreux travaux théoriques qui contribuent à cette entreprise à long terme. Nous étudions la correction des erreurs quantiques et les techniques de calcul quantique tolérant les pannes afin d’aider les expérimentateurs à construire plus facilement de grands ordinateurs quantiques, sans exiger que les composants individuels soient parfaits. Nous explorons également de nouvelles façons de mesurer les propriétés des systèmes quantiques, en particulier ceux destinés à la construction d’un ordinateur quantique.
Les connaissances approfondies que nous cherchons à développer sur les états quantiques profitent également à d’autres domaines de la physique, car de nombreux systèmes d’intérêt pour les physiciens sont intrinsèquement quantiques. Plusieurs chercheurs de l’Institut Périmètre s’intéressent à la fois à l’information quantique et à la matière condensée ou aux fondements quantiques. Ils appliquent également les concepts de l’information quantique à la physique des particules, à l’astronomie, à la théorie des cordes et à la gravité quantique.
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