Que sont les technologies quantiques ?

Les “technologies quantiques” regroupent les méthodes mises en œuvre pour produire des outils dont le fonctionnement repose de manière essentielle sur l’une des propriétés quantiques suivantes : la superposition quantique d’états d’un objet physique, ou l’intrication quantique de plusieurs sous-parties de cet objet.

1) SuperpositionS quantiqueS

Le monde est ainsi fait que si un objet peut exister dans plusieurs états distincts, il est à priori possible de le placer dans plusieurs de ces états simultanément. On dit que l’objet est dans une superposition quantique d’états.

L’illustration ci-contre montre en guise d’exemple une boule pouvant être soit à l’extérieur d’une boite, soit à l’intérieur, soit dans une superposition quantique des deux états à la fois (avec les notations usuelles utilisées par les physisiciens).

Les technologies quantiques sont basées sur ce genres de superposition d’états, dans les atomes, les ions, les photons, les particules avec spins, ou même certains circuits électriques.

2) Intrication Quantique

En appliquant le principe de superposition à un système composé de plusieurs objets pouvant chacun se trouver dans plusieurs états possibles, on peut aboutir à des états quantiques très étranges appelés états intriqués: Dans l’exemple ci-contre le système est constitué d’une boule bleue et d’une boule rouge pouvant chacune être à l’extérieur (0) ou à l’intérieur (1) de la boite. L’état de superposition où les boules sont à la fois toute deux à l’extérieur et à la fois toute deux à l’intérieur est un état difficile à représenter: il est à la fois très indéterminé (chacune des boules peut être trouvée à l’intérieur ou à l’extérieur) mais à la fois très déterminé car les boules sont à coup sûr au même endroit . Ce genre d’état intriqué constitue une ressource très utilisée dans les technologies quantiques.

3) LES CAPTEURS QUANTIQUES

Les superpositions d’états quantiques sont très sensibles à l’environnement et fournissent des capteurs d’une grande précision : horloges atomiques, accéléromètres, gyromètres ou gravimètre fondés sur l’interférométrie atomique, magnétomètres sensibles et compacts à base d’atomes naturels ou artificiels. Les progrès sans cesse croissants dans le contrôle et la réduction des sources de bruits classiques amènent la sensibilité de ces capteurs à une frontière appelée « limite quantique ».

La photo ci-contre montre un gravimètre quantique absolu de la société µquans.

4) LES SIMULATEURS QUANTIQUES

Ces sont des systèmes quantiques épurés, réglables et faciles à contrôler et à observer, qui peuvent mimer et donc réveler le comportement inconnu et incalculable de systèmes quantiques réels à grand nombres de particules. Ils permettent d’introduire progressivement le désordre qui existe dans le système réel et même d’explorer des paramètres irréalisables autrement. Ils trouvent leur application en physique des solides, en chimie quantique, et même en astrophysique !

La photo ci-contre montre un simulateur quantique du NIST (USA) constitué d’un plan bidimentionnel d’atomes de Berylium piégés electromagnétiquement. Ces atomes sont cristallisés et simule un matériau magnétique (ici sans défauts).

5) LES COMMUNICATIONS QUANTIQUES

Elles reposent sur la propagation de photons (grains de lumière) dans des superpositions d’états, ou de paires de photons intriqués. Elles ont pour application (i) la sécurisation des communications par cryptographie quantique, (ii) l’interfacage de systèmes quantiques distants devant partager un certain degré d’intrication, (iii) ou le tranfert d’état quantique entre des systèmes physiques de nature différente.

6) INFORMATIQUE QUANTIQUE

L’informatique quantique consiste à traiter l’information de manière massivement parallèle en utilisant des états superposés et intriqués au sein d’ordinateurs quantiques déroulant des algorithmes quantiques. Le modèle de processeur quantique le plus répandu est calqué sur le processeur classique à portes logiques. L’information est stockée dans des cases mémoires élémentaires à deux états, les qubits, regroupés en registres multiqubits. Un jeu minimal de portes logiques à 1 et 2 qubits permet d’implémenter n’importe quel algorithme. Le défi technique est de reussir à conserver la cohérence quantique de l’ensemble des bits durant le temps du calcul ou de corriger précisément les erreurs qui surviennent.

La photo ci-contre montre un prototype de processeur quantique à 5 qubits de type circuits supraconducteurs, réalisé par IBM (USA).

les technologies quantiques en bref

Les technologies mettant en oeuvre des superpositions quantiques d’états et/ou des états intriqués de divers systèmes physiques sont nombreuses. On peut les classer par le type d’objet quantique impliqué : on distingue alors les systèmes d’optique quantique impliquant des photons (grains de lumière) piégés dans des cavités ou se propageant dans le vide ou dans des fibres optiques, les systèmes à atomes chauds ou froids , les systèmes à ions piégés électromagnétiquement, les systèmes impliquant des spins électroniques ou nucléaires, ou encore les systèmes à base de circuits quantiques supraconducteurs ou d’oscillateurs mécaniques.
Au sein de SIRTEQ, les technologies quantiques sont plutôt classées en quatre domaines applicatifs : 1) le domaine des “capteurs quantiques et de la métrologie”, dans lequels on trouve par exemple les horloges atomiques des satellites GPS ou les gravimètres quantiques à atomes permettant de sonder le sous-sol avec une sensibilité inégalée ; 2) Le domaine des “simulateurs quantiques“, capables de mimer d’une façon épurée et contrôlée le comportement de systèmes quantiques qu’on ne sait pas calculer ; 3) le domaines des “communications quantiques” permettant par exemple d’assurer l’inviolabilité d’une information communiquées le long de fibres optiques ; 4) Et enfin le domaine de l’ “informatique quantique” qui devrait conduire à des calculateurs capables d’effectuer certains calculs de manière bien plus efficace qu’avec nos ordinateurs actuels.