Enchevêtrement quantique : la physique qui rend possible l'informatique quantique

L'enchevêtrement quantique est l'un des phénomènes les plus contre-intuitifs et puissants de la physique moderne, introduit d'abord par le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) en 1935. Cette étrange connexion décrit une situation où deux ou plusieurs particules deviennent si étroitement liées que la mesure d'une particule influence instantanément l'état de l'autre, peu importe la distance qu'elles existent dans l'espace. Einstein l'appelle célèbre «action effrayante à distance», une phrase qui capte à la fois son malaise avec le concept et le mystère profond qu'il présente.

Ce qui semblait être un puzzle philosophique depuis des décennies a été vérifié expérimentalement de nombreuses fois dans les laboratoires du monde entier. Aujourd'hui, l'enchevêtrement sert de base aux technologies révolutionnaires, y compris les systèmes de calcul quantique en cours de développement dans des entreprises comme IBM, Google, IonQ, et Rigetti. Comprendre comment l'enchevêtrement fonctionne et pourquoi il importe pour quiconque essaie de saisir ce que les ordinateurs quantiques peuvent et ne peuvent pas faire.

Les racines historiques de l'enchevêtrement : de l'EPR au théorème de Bell

L'histoire de l'enchevêtrement commença comme un défi à la mécanique quantique.En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen publièrent un article qui soutenait que la mécanique quantique était incomplète. Ils proposèrent une expérience de pensée dans laquelle deux particules interagissent et se séparent, avec leurs états liés de telle sorte que la mesure l'un puisse parfaitement prédire l'autre. Selon la théorie quantique, cette corrélation se maintenait même si les particules étaient séparées par des années-lumière, ce qui semblait violer le principe de localité, l'idée que les objets ne sont directement influencés que par leur environnement immédiat.

Le paradoxe de l'EPR remet directement en question l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, qui accepte le caractère probabiliste de la théorie sans variables cachées. Pendant près de trois décennies, le débat est resté largement philosophique jusqu'à ce que le physicien John Bell formule le théorème de Bell en 1964. Bell a démontré que toute théorie basée sur des variables cachées locales comblerait certaines inégalités, alors que la mécanique quantique violerait ces inégalités.

Le travail révolutionnaire d'Aspect, ainsi que les contributions de John Clauser et Anton Zeilinger, leur ont valu le prix Nobel de physique de 2022. Leurs expériences avec des photons enchevêtrés ont prouvé que l'univers ne se conforme pas au réalisme local d'Einstein. Ce passage du débat philosophique à la réalité physique confirmée a ouvert la porte à des technologies enchevêtrées qui sont maintenant commercialisées.

La physique de l'enchevêtrement : comment les particules deviennent liées

L'enchevêtrement provient d'interactions qui créent un état quantique partagé entre deux particules ou plus. Lorsque les particules s'entremêlent, leur fonction d'onde combinée ne peut être factorisée en fonctions d'onde indépendantes pour chaque particule. Cela signifie que les propriétés des particules – comme spin, polarisation, élan ou énergie – deviennent corrélées de manière sans contrepartie classique.

Effacement de la fonction d'onde et mesure

Avant la mesure, une paire empilée existe dans une superposition d'états corrélés. Lorsqu'une mesure est effectuée sur une particule, la fonction d'onde s'effondre et l'état de l'autre particule est immédiatement déterminé. Par exemple, considérez deux photons empilés dans la polarisation. Si l'un est mesuré et s'avère polarisé horizontalement, l'autre doit être polarisé verticalement, même si aucune mesure n'a encore été effectuée sur elle. Cette corrélation tient avec la probabilité de 100 pour cent, bien plus forte que n'importe quelle corrélation classique pourrait l'expliquer.

Cette connexion instantanée ne viole pas la relativité spéciale car elle ne peut pas être utilisée pour envoyer des informations plus rapidement que la lumière. Le résultat de la mesure sur la première particule est aléatoire; l'enchevêtrement assure seulement que les résultats sont corrélés. L'information sur le résultat obtenu doit toujours être transmise par des canaux classiques à la vitesse de la lumière ou en dessous.

Types d'empiècement

L'empiècement se présente sous plusieurs formes, selon le nombre de particules et le degré de liberté en jeu:

  • Enchevêtrement bipartite La forme la plus simple, impliquant deux particules. Les états Bell, comme l'état singulet souvent utilisé en cryptographie quantique. Ce sont les plus faciles à générer et à contrôler dans les expériences.
  • Inclusions multipartites Ces configurations sont plus complexes mais offrent des capacités améliorées pour le calcul quantique et le réseautage quantique. Les états GHZ, par exemple, peuvent détecter les erreurs plus efficacement que l'entanglement bipartite dans certains scénarios.
  • Incidents variables en continu Ce type d'enchevêtrement est utile pour la détection quantique et certaines approches du calcul quantique, en particulier celles qui utilisent des systèmes optiques.

Comment l'enchevêtrement est-il créé?

Plusieurs processus physiques peuvent générer des enchevêtrements, chacun adapté à différentes plateformes et applications:

  • Découpe spontanée par défaut (SPDC) utilise un cristal non linéaire pompé avec un laser pour produire des paires de photons enchevêtrés. C'est la méthode la plus courante pour générer des photons enchevêtrés dans des environnements de laboratoire et reste essentielle pour les expériences d'optique quantique et la recherche de communication quantique.
  • Pièges à ions L'enchevêtrement entre les ions est créé par des impulsions laser qui les poussent à échanger des phonons virtuels. Cette approche est hautement contrôlable et est utilisée dans les plates-formes de calcul quantique de pointe de l'IonQ et Honeywell.
  • Circuits supraconducteurs créer des qubits à partir de boucles supraconductrices qui peuvent être enchevêtrés à l'aide d'impulsions micro-ondes. Cette plate-forme alimente le processeur Sycamore de Google et les systèmes Quantum d'IBM.
  • atomes neutres Cette méthode, qui permet de gagner en traction pour les simulateurs quantiques à grande échelle, offre des perspectives pour les systèmes de construction avec des centaines de qubits.

Enchevêtrement comme moteur de calcul quantique

Le calcul quantique repose sur trois principes fondamentaux : la superposition, l'interférence et l'enchevêtrement. La superposition permet à un qubit d'exister simultanément dans les deux états, mais l'enchevêtrement est ce qui relie plusieurs qubits, leur permettant d'explorer un espace computationnel qui croît exponentiellement avec le nombre de qubits. Sans enchevêtrement, un ordinateur quantique ne serait pas plus puissant qu'une machine classique qui exécute des algorithmes probabilistes.

Avec seulement 50 qubits empêtrés, un ordinateur quantique peut représenter 2^50 états simultanément, plus d'un billion de possibilités. Les ordinateurs classiques devraient traiter chaque possibilité de façon séquentielle, rendant certains calculs inextricables même avec des ressources massives.

Portes et enclos quantiques

Les portes quantiques sont des opérations qui manipulent les qubits. La porte d'enchevêtrement la plus importante est la porte CNOT (contrôle-NOT). Lorsqu'elle est appliquée à deux qubits, elle retourne le qubit cible si et seulement si le qubit de contrôle est dans l'état. Cette porte, combinée à des rotations à un qubit, suffit pour effectuer n'importe quel calcul quantique. Une autre porte d'enchevêtrement clé est la porte SWAP, qui échange les états de deux qubits.

L'enchevêtrement est à la fois une ressource et une nécessité: un ordinateur quantique doit générer et maintenir l'enchevêtrement parmi ses qubits pour surperformer les machines classiques.

La capacité d'effectuer des opérations d'enchevêtrement avec une grande fidélité est un point de référence clé pour le matériel quantique. Le processeur Sycamore de Google, par exemple, a atteint 99,4% de fidélité pour ses portes à deux qubits dans l'expérience qui a démontré un avantage calculal quantique.

Parallélisme quantique

Un des avantages les plus célèbres de l'enchevêtrement est le parallélisme quantique. En préparant des qubits enchevêtrés dans une superposition de tous les états d'entrée possibles, un ordinateur quantique peut évaluer simultanément une fonction pour de nombreuses entrées. Cependant, l'extraction de la réponse nécessite des modèles d'interférences intelligents – les résultats pour les entrées incorrectes s'annulent, tandis que la réponse correcte est amplifiée.

L'algorithme de Shor, qui peut briser le chiffrement RSA grâce à un ordinateur quantique suffisamment grand, utilise l'entanglement pour trouver la période d'une fonction exponentielle modulaire. L'algorithme de Grover utilise l'entanglement pour amplifier l'amplitude de la réponse correcte dans une recherche non structurée, réduisant le temps de recherche d'O(N) à O( √N).

Correction d'erreur quantique

Les qubits sont extrêmement fragiles parce qu'ils décodent rapidement en raison d'interactions avec l'environnement. Pour construire un ordinateur quantique tolérant aux défauts, les qubits logiques doivent être encodés sur de nombreux qubits physiques en utilisant l'entanglement. Par exemple, le code de surface utilise des mesures stabilisatrices enchevêtrées pour détecter et corriger les erreurs sans perturber les informations quantiques stockées.

Sans un système robuste de correction des erreurs, le calcul quantique à grande échelle reste hors de portée. La recherche actuelle vise à améliorer les codes de correction des erreurs pour réduire les frais généraux requis. Le code de surface, bien qu'efficace, exige généralement de l'ordre de mille qubits physiques pour encoder un qubit logique unique. Les nouveaux codes comme le code couleur et le code Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) visent à réduire ces frais généraux d'un ordre de grandeur ou plus.

Au-delà de l'informatique : autres applications de l'immobilisation

Cryptographie quantique

La distribution de clés quantiques (QKD) est l'une des applications les plus matures de l'enchevêtrement. Les protocoles comme BB84 et E91 utilisent des photons enchevêtrés pour générer une clé secrète partagée entre deux parties. Toute tentative d'écoute de la communication perturbe l'enchevêtrement, révélant l'intrusion immédiatement.

Les systèmes commerciaux QKD sont déjà disponibles auprès de sociétés comme ID Quantique et MagiQ Technologies. La QKD basée sur satellite, démontrée par la mission chinoise Micius, a atteint la distribution d'entanglement sur des milliers de kilomètres, ouvrant la voie à un réseau quantique global. Le satellite Micius a réussi à générer des paires de photons enchevêtrés dans l'espace et les a distribués aux stations au sol séparées par plus de 1 200 kilomètres.

Téléportation quantique

La téléportation quantique est un autre phénomène basé sur l'enchevêtrement qui permet le transfert d'un état quantique inconnu d'un endroit à un autre sans déplacer physiquement la particule. Ceci est obtenu en partageant une paire enchevêtrée et en effectuant une mesure conjointe sur la particule à téléporter et la moitié de la paire enchevêtrée. Les résultats de la mesure sont envoyés classiquement à l'autre endroit, où une opération locale reconstitue l'état d'origine. La téléportation ne transmet pas l'information plus rapidement que la lumière parce que l'information classique doit voyager à la vitesse de la lumière ou en dessous, mais elle est cruciale pour les réseaux quantiques et les répéteurs.

En 2017, des chercheurs chinois ont téléporté un photon de la Terre à un satellite en orbite, montrant que la technique fonctionne sur des distances pertinentes pour la communication quantique globale.

Sensation quantique et métrologie

Les particules entremêlées peuvent améliorer la précision des mesures au-delà des limites classiques. Par exemple, les photons enchevêtrés dans un interféromètre peuvent réduire le bruit de tir, permettant la détection de petits déplacements de phase. Cela a des applications dans la détection d'ondes gravitationnelles, la détection de champ magnétique et les horloges atomiques.

De même, les horloges atomiques qui utilisent des atomes enchevêtrés peuvent obtenir une meilleure stabilité de fréquence, ce qui pourrait redéfinir la seconde avec plus de précision. L'Institut national des normes et de la technologie des États-Unis (NIST) a démontré que les horloges atomiques enchevêtrées permettent d'améliorer de 10 fois la précision par rapport aux appareils classiques.

Défis sur la voie de l'informatique quantitative pratique

Malgré son immense potentiel, il est extrêmement difficile de construire un ordinateur quantique à grande échelle, tolérant aux défauts, qui tire parti de l'enchevêtrement.

Décohérence

Les interactions avec l'environnement provoquent la décohérence, où l'état quantique des qubits s'effondre dans un mélange classique. Isoler les qubits du bruit tout en étant capable de les manipuler est un problème d'ingénierie central. Les temps de cohérence actuels dans les qubits supraconducteurs sont de l'ordre de centaines de microsecondes, tandis que les qubits ioniques piégés peuvent maintenir la cohérence pendant des secondes ou plus. Les deux approches nécessitent des améliorations significatives pour le calcul tolérant les défauts.

Les qubits supraconducteurs en aluminium ou en niobium sur des substrats saphirs présentent des propriétés de cohérence différentes de celles du tantale sur silicium. Des chercheurs de l'Université de Chicago et d'autres institutions explorent systématiquement ces matériaux pour identifier les meilleures combinaisons pour les qubits longue cohérence.

Échelle

Pour effectuer des calculs significatifs, comme briser le chiffrement RSA ou simuler des molécules complexes, il faut des millions de qubits de haute qualité, surtout en raison des frais généraux pour corriger les erreurs. L'augmentation du nombre d'erreurs tout en maintenant de faibles taux est un défi formidable. Différentes architectures, telles que les qubits photoniques, les ions piégés, les supraconducteurs et les spins de silicium, ont chacune leurs propres problèmes de mise à l'échelle.

Les ordinateurs quantiques photoniques, comme ceux développés par Xanadu et PsiQuantum, utilisent des circuits photoniques à l'échelle des puces pour générer et manipuler des photons enchevêtrés. Cette approche bénéficie des processus de fabrication de semi-conducteurs existants, qui pourraient permettre une échelle plus rapide.

Fidélité et correction d'erreur

La fidélité des portes doit dépasser un certain seuil, généralement de 99 % ou plus, pour que la correction quantique des erreurs fonctionne efficacement. Il est difficile de réaliser simultanément ce chiffre sur plusieurs qubits, car les qubits interagissent entre eux et avec leur environnement de façon complexe. De plus, le coût de la correction des erreurs est énorme : un qubit logique peut nécessiter des milliers de qubits physiques.

En 2023, les chercheurs de Google Quantum AI ont démontré un qubit logique avec des taux d'erreur plus faibles que ses constituants physiques, un jalon connu sous le nom de correction d'erreur « sous seuil ». Cette réalisation montre que le cadre théorique pour le calcul quantique tolérant aux erreurs peut fonctionner en pratique, mais l'étendre à des millions de qubits nécessitera des efforts d'ingénierie soutenus.

Distribution des éléments

Pour un internet quantique ou un calcul quantique distribué, l'enchevêtrement doit être partagé sur de longues distances. La fibre optique souffre de perte, limitant la transmission directe des photons à quelques centaines de kilomètres. Des répéteurs quantiques, qui utilisent l'échange et la purification de l'enchevêtrement, sont nécessaires pour étendre la portée, mais ils restent dans le stade expérimental.

Les expériences sur table ont montré un échange d'entanglement sur plus de 100 kilomètres de fibres optiques, mais les répéteurs pratiques nécessitent une mémoire quantique pour stocker temporairement l'entanglement pendant que le segment suivant est établi.

Perspectives et jalons futurs

En 2019, Google a prétendu avoir obtenu un avantage quantique avec son processeur Sycamore, effectuant un calcul spécifique en 200 secondes qui prendrait des milliers d'années un superordinateur classique. Bien que la revendication ait été débattue, elle a démontré que l'enchevêtrement peut effectivement fournir un avantage pratique pour certaines tâches.

Pour l'avenir, plusieurs jalons sont attendus dans les années à venir :

  • Qubits logiques corrigés par erreur à l'échelle démontrera qu'un qubit logique unique surpasse ses constituants physiques. Plusieurs groupes l'ont déjà montré, et l'étape suivante est de connecter les qubit logiques dans de petits algorithmes.
  • Correction d'erreur quantique à l'échelle va permettre d'exécuter un petit algorithme avec plusieurs qubits logiques corrigés par des codes de surface ou d'autres codes de correction d'erreurs. Cela nécessitera des centaines de qubits physiques travaillant ensemble.
  • Avantage quantique pour un problème utile démontrera un calcul d'intérêt commercial ou scientifique qui est insoluble pour les ordinateurs classiques. Les candidats comprennent la simulation de petites molécules pour la découverte de médicaments ou l'optimisation des chaînes d'approvisionnement.
  • Connexions Internet quantiques Le département américain de l'énergie a élaboré une feuille de route pour un internet quantique national.

Des entreprises comme IBM, Google, IonQ, Rigetti et Xanadu se livrent à la construction d'ordinateurs quantiques tolérants aux défauts. IBM a publié une feuille de route détaillée visant 100 000 qubits d'ici 2033.

L'avenir enchevêtrementé

L'enchevêtrement quantique n'est plus une curiosité philosophique. C'est un phénomène physique vérifié avec un potentiel technologique prouvé qui s'étend bien au-delà des démonstrations de laboratoire. De la capacité de parallélisme quantique dans le calcul à la base de communications sécurisées et de mesures ultra sensibles, l'enchevêtrement est au cœur de la seconde révolution quantique.

La voie vers un ordinateur quantique pratique est longue et remplie de défis, mais chaque étape expérimentale nous rapproche d'un avenir où l'enchevêtrement alimente la prochaine génération de technologies de l'information. Que ce soit en générant un état empilé de 100 qubits, téléportant un état quantique sur des centaines de kilomètres, ou en démontrant un algorithme quantique qui dépasse les limites classiques, le progrès est constant et mesurable.