Un étudiant se lève aux petites heures du matin pour repasser,
une dernière fois avant l'examen, ses notes de physique quantique,
tout en se gardant éveillé avec une bonne tasse de café.
À ce moment , il est loin de se douter qu'il est en présence
de deux éléments éventuellement essentiels à
l'élaboration d'un ordinateur quantique! Eh oui! certains chercheurs
croient que les atomes de la molécule de la caféine seraient
peut-être de bons qubits. « De bons quoi? », direz-vous.
Alors, commençons par le début.
Afin de comprendre le fonctionnement d'un ordinateur quantique, penchons-nous
d'abord sur celui d'un ordinateur classique. Ce dernier utilise le code
binaire; c'est-à-dire que toutes les informations se trouvent sous
la forme d'un 0 ou d'un 1 dans les unités élémentaires
appelées bits. Dans un circuit, des condensateurs jouent ce rôle
: ils possèdent la valeur 1 s'ils sont chargés et la valeur
0 s'ils sont déchargés. Dans le cas des ordinateurs quantiques,
on utiliserait des particules obéissant aux lois de la physique
quantique comme bits. Par exemple, on pourrait se servir de l'orientation
des spins nucléaires ou de la présence (ou non présence)
des photons. Ces bits quantiques ou qubits auraient la particularité
de pouvoir se trouver SIMULTANÉMENT
dans l'état 0 ET
1.
Cette superposition d'états, impossible d'un point de vue classique,
est une propriété fondamentale des objets quantiques. En
effet, lorsqu'une particule quantique a une probabilité non nulle
de se trouver dans deux endroits différents, elle se trouve aux
deux endroits EN MÊME TEMPS.
Si on tente de détecter cette superposition d'états, elle
disparaît et l'objet quantique ne se trouve que dans un des deux
endroits. Cependant, on peut démontrer indirectement qu'une telle
superposition existe à l'aide d'une expérience simple :
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A : Un photon arrive sur un miroir
semi-réfléchissant. Dans 50 % des cas, il arrive au détecteur
1 et, dans l'autre moitié des cas, au détecteur
2.
B : Un photon arrive sur un miroir
semi-réfléchissant. Il peut alors emprunter deux chemins
pour arriver sur un autre miroir semi-réfléchissant. Ensuite,
on observe que le photon arrive dans 100 % des cas au détecteur
1.
C : Si on bloque un des deux chemins,
le photon arrive dans 50 % des cas au détecteur 1 et, dans l'autre
moitié des cas, au détecteur 2.
Conclusion : Dans le cas B, le photon
a passé par les deux chemins possibles, et c'est l'interférence
entre les deux trajets qui amène le photon à aller uniquement
vers le détecteur 1. Cela illustre le fait qu'un objet quantique
peut se trouver dans plusieurs états simultanément.
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La capacité pour les qubits de se trouver dans un état
superposé pourrait causer une révolution dans le domaine
du calcul. En effet, plutôt que de faire des opérations en
série, un ordinateur quantique pourrait les effectuer en parallèle
et, ainsi, réaliser en quelques heures des calculs nécessitant
des décennies aux meilleurs ordinateurs classiques. Par le fait
même, le pays qui réalisera le premier ordinateur quantique
disposera d'une arme technologique redoutable pour l'espionnage, plus particulièrement pour
le décryptage de codes.
Cependant, cette coexistence des photons (ou des spins nucléaires)
en plusieurs états (0 et 1) est extrêmement fragile. Il ne
suffit que d'une légère perturbation, causée par l'interaction
avec l'environnement, pour qu'ils perdent leur capacité d'interférer
et ne se retrouvent plus que dans un seul de leurs deux états. C'est
ce que l'on appelle la décohérence. Elle se manifeste dans
un temps TD déterminé par le « degré
d'isolement » du système. La décohérence est le
principal obstacle auquel sont confrontés les scientifiques. Pour l'éviter,
il faudrait isoler complètement les mécanismes internes de
l'ordinateur quantique de l'environnement extérieur.
Afin
de régler ce problème, deux groupes de chercheurs
américains ont eu l'idée
d'utiliser les molécules d'un liquide pour jouer le rôle de
qubits. Le premier groupe est composé de Neil
Gershenfeld et Isaac Chuang, tandis que David Cory, Amr Fahmy et Timothy
Havel forment le second. Leur prototype est assez simple. Un tube, rempli
du fameux liquide, se trouve entre deux aimants permanents. Dans ce liquide,
les noyaux atomiques possédant un spin agissent comme de minuscules
aimants. Selon le principe de la résonance magnétique nucléaire
(RMN), les spins s'orientent parallèlement et antiparallèlement
au champ magnétique créé par les aimants permanents.
(Pour faire une analogie avec l'ordinateur classique, on peut associer
l'état parallèle au « 1 » et l'état antiparallèle
au « 0 ».) En modifiant le champ magnétique extérieur,
on peut modifier, par le fait même, l'orientation des spins. Ainsi,
en soumettant les spins à des impulsions (champs magnétiques
ne durant qu'un cours moment), certains débuteront un mouvement
de rotation semblable à celui d'une toupie sur le point de tomber.
À une fréquence déterminée, cette précession
s'accompagne d'un transfert d'énergie, détectable par signal
radio -- en médecine, le même système est utilisé
(imagerie à résonance magnétique) pour produire des
images du crâne, de la colonne vertébrale ou des articulations!
Bien que les molécules du liquide subissent plusieurs collisions,
le spin de leurs noyaux en est peu affecté. Ainsi, la décohérence
ne se fait sentir qu'après dix à plusieurs milliers de secondes.
Par conséquent, un peu plus de mille opérations logiques
simples peuvent être effectuées durant ce laps de temps. Les
scientifiques s'accordent pour dire que n'importe quel liquide ferait l'affaire
: il suffit de trouver le meilleur!
En 1996, Gershenfeld et Chuang, en collaboration avec Mark Kubinec,
ont élaboré un ordinateur quantique à l'aide d'un dé
à coudre de chloroforme. L'inconvénient de ce liquide est
qu'il ne produit que deux qubits discernables. Le groupe de Cory, Fahmy
et Havel, quant à eux, ont expérimenté des ordinateurs
quantiques à deux, trois, quatre et cinq qubits. Ceci n'est évidemment
pas assez pour construire un ordinateur très utile. Il faudrait
donc augmenter le nombre de qubits. Toutefois, plus le nombre de qubits
par molécule est grand, plus le signal radio émis est faible
et moins le dispositif RMN arrive à le détecter parmi les
bruits qui l'entourent. Les chercheurs se buttent alors à un autre
obstacle!
Malgré tout, les deux équipes tentent de fabriquer un
ordinateur quantique à dix qubits. Ils sont donc à la recherche
du composé liquide idéal contenant dix spins discernables.
Il semblerait que la molécule de caféine serait un bon spécimen
d'expérimentation! Celle-ci possède les dix spins souhaités
et, comme on peut retrouver environ 1020 de ces molécules
dans une tasse de café, il est facile de s'en procurer! Quand
verrons-nous le premier ordinateur quantique au café? Patience!
Les années qui viennent nous diront si cela est possible!
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Décryptage
Le système de cryptage le plus utilisé
dans le monde se nomme le protocole RSA. Il consiste en un nombre C qui
est le produit de deux nombres premiers A et B. Si un espion intercepte
un message codé, il ne connaîtra que le nombre C. Pour déchiffrer
le code, il lui suffira donc de déterminer A et B. Or, le nombre
C est toujours très grand et il n'existe pas d'algorithme rapide
pour calculer les facteurs d'un nombre. Il devra alors essayer toutes les
possibilités une par une. Si le nombre C contient cent chiffres,
l'ordinateur qui est actuellement le plus rapide au monde mettra plus d'un
an à découvrir A et B, ce qui rend le message pratiquement
impossible à décoder. Par contre, si un ordinateur quantique
tentait de résoudre ce problème, grâce à sa
capacité d'effectuer les opérations en parallèle,
il pourrait déterminer A et B en quelques heures à peine.
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Vincent Farley et Marie-Ève Gosselin j
Bibliographie
Howard Baker, Wake up to quantum coffee, New Scientist
153, no 2073, 15 mars 1997, p. 28.
http://www.pourlascience.com/numeros/pls-250/art-5.htm
http://www-dse.doc.ic.ac.uk/~nd/surprise_97/journal/vol4/spb3/