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L'informatique quantique traite les données en utilisant les principes de la mécanique quantique. Par conséquent, l'informatique quantique nécessite une approche différente de l'informatique classique. Le processeur utilisé dans les ordinateurs quantiques est un exemple de cette distinction.
Alors que les ordinateurs traditionnels utilisent des processeurs à base de silicium, les ordinateurs quantiques utilisent des systèmes quantiques comme les atomes, les ions, les photons ou les électrons. Ils utilisent des caractéristiques quantiques pour représenter les bits qui peuvent être créés dans diverses superpositions quantiques de 1 et 0.
Alors, que signifie exactement le terme « quantique » dans ce contexte ? Est-ce un saut significatif ?
Le terme quantum dérive du mot latin quantum, qui signifie « quantité ». C'est une "quantité discrète d'énergie proportionnelle en grandeur à la fréquence du rayonnement qu'elle représente" en physique. Discret fait référence à quelque chose qui n'est ni continu ni distinct. Quantum fait référence à des quantités uniques ou significatives dans ce sens.
Qu'est-ce que l'informatique quantique?
L'informatique quantique utilise des méthodes algébriques pour construire des algorithmes de calcul, souvent identiques ou similaires à ceux utilisés en physique quantique. La mécanique quantique, à son tour, fait référence à une théorie physique de base qui plonge dans l'explication des qualités physiques de la nature à la taille des atomes et des particules subatomiques.
A ordinateur quantique est donc un ordinateur hypothétique capable d'implémenter de tels algorithmes. En conséquence, les ordinateurs quantiques sont fondamentalement basés sur des bits quantiques, également appelés qubits, qui peuvent être créés à partir d'un seul électron.
Le matériau quantique se comporte selon les règles de la mécanique quantique, en utilisant des notions comme le calcul probabiliste, la superposition et enchevêtrement. Ces idées servent de base aux algorithmes quantiques, qui utilisent les capacités des ordinateurs quantiques pour résoudre des problèmes complexes.
Dans cet article, je vais discuter de tout ce que vous devez savoir sur l'intrication quantique.
Qu'est-ce que l'intrication quantique ?
L'intrication quantique se produit lorsque deux systèmes sont si étroitement liés que connaître l'un vous donne une connaissance immédiate de l'autre, quelle que soit leur distance.
Des scientifiques comme Einstein ont été déconcertés par ce phénomène, qu'il a surnommé "une action effrayante à distance" car il a enfreint la règle selon laquelle aucune information ne peut être envoyée plus rapidement que la vitesse de la lumière. Des expériences supplémentaires utilisant des photons et des électrons ont cependant vérifié l'intrication.
L'intrication est la pierre angulaire de l'informatique quantique. L'intrication quantique en physique fait référence à un lien très fort entre les particules quantiques. Cette connexion est si forte que deux ou plusieurs particules quantiques peuvent être inexorablement connectées tout en étant séparées par d'énormes distances.
Pour mieux comprendre cela, considérons une comparaison simple qui n'est pas liée à la physique ou à l'informatique. Considérez ce qui se passerait si non pas une, mais deux pièces étaient lancées. Habituellement, qu'une pièce tombe sur pile ou face a peu d'incidence sur le résultat du deuxième tirage au sort.
Cependant, en cas d'enchevêtrement, les deux parties sont connectées ou enchevêtrées, qu'elles soient physiquement séparées ou non. Dans ce cas, si une pièce tombe sur face, la deuxième pièce affichera également face, et vice versa.
Comprendre l'intrication quantique (avec exemple)
L'intrication quantique est en effet une situation dans laquelle deux systèmes (généralement des électrons ou des photons) sont si étroitement liés que l'acquisition d'informations sur «l'état» d'un système (la direction du spin de l'électron, disons «Haut») donnerait une connaissance instantanée de l'autre système. "état" (la direction du spin du deuxième électron, disons "vers le bas") quelle que soit la distance entre ces systèmes.
Les expressions « instantané » et « quelle que soit leur distance » sont significatives. Ce phénomène a laissé perplexe des scientifiques comme Einstein, car l'état n'est pas défini tant qu'il n'est pas mesuré, et la transmission de l'information défie la règle de physique classique selon laquelle l'information ne peut pas être transportée plus vite que la vitesse de la lumière.
Cependant, il a été prouvé que l'intrication utilise à la fois des photons et des électrons depuis les années 1980, grâce aux recherches et aux tests qui ont commencé dans les années 1980.
Deux particules subatomiques (électrons) peuvent être produites de sorte qu'elles puissent être décrites par une seule fonction d'onde. L'intrication peut être obtenue dans un procédé en permettant à une particule mère avec des spins nuls de se désintégrer en deux particules filles intriquées avec des spins égaux mais opposés.
Si deux particules filles n'interagissent avec rien, leurs fonctions d'onde resteront égales et opposées, quelle que soit la distance à laquelle elles sont mesurées. Les scientifiques ont déterminé par des tests que le moment de l'enchevêtrement n'avait aucun impact sur les informations.
Au lieu de cela, les informations sont envoyées à l'autre particule à un rythme plus rapide que la vitesse de la lumière uniquement lorsque les informations d'une particule sont mesurées.
En conséquence, les informations circulent à ce rythme. Mais nous n'avons aucun contrôle sur cela - ce manque de contrôle limite les utilisations de l'intrication quantique, comme l'envoi d'un message ou d'autres informations plus rapidement que la vitesse de la lumière.
Quel rôle joue l'intrication dans l'informatique quantique ?
Changer l'état d'un qubit intriqué change instantanément l'état du qubit apparié dans les ordinateurs quantiques. En conséquence, l'intrication accélère la vitesse de traitement des ordinateurs quantiques.
Étant donné que le traitement d'un qubit révèle des informations sur de nombreux qubits, doubler le nombre de qubits n'augmente pas nécessairement le nombre de processus (c'est-à-dire les qubits intriqués).
Selon des études, l'intrication quantique est nécessaire pour qu'un algorithme quantique fournisse une accélération exponentielle par rapport aux calculs classiques.
Applications de l'intrication en informatique quantique
Plusieurs applications peuvent bénéficier de cette caractéristique physique unique en son genre, qui modifiera notre présent et notre avenir. Le cryptage quantique, le codage superdense, peut-être une transmission plus rapide que la lumière et même la téléportation pourraient tous être activés par l'enchevêtrement.
Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de relever des défis gourmands en temps et en puissance de traitement dans une variété d'industries, y compris la finance et la banque.
L'intrication quantique est un phénomène qui pourrait aider ces ordinateurs en réduisant le temps et la puissance de traitement nécessaires pour gérer le flux de données entre leurs qubits.
1. Cryptographie quantique
Dans la cryptographie classique, l'expéditeur encode le message avec une clé, tandis que le destinataire le décode avec la clé partagée. Cependant, il existe un risque qu'un tiers obtienne des informations sur les clés et soit en mesure d'intercepter et de saper la cryptographie.
La création d'un canal sécurisé entre les deux parties est la pierre angulaire d'une cryptographie incassable. L'enchevêtrement peut en être la cause. Comme les deux systèmes sont intriqués, ils sont corrélés l'un à l'autre (quand l'un change, l'autre aussi), et aucun tiers ne partagera cette corrélation.
La cryptographie quantique bénéficie également du non-clonage, ce qui signifie qu'il est impossible de générer une réplique identique d'un état quantique inconnu. En conséquence, il est impossible de répliquer des données codées dans un état quantique.
Avec une distribution de clé quantique impénétrable, la cryptographie quantique a déjà été réalisée (QKD). QKD utilise des photons polarisés de manière aléatoire pour communiquer des informations sur la clé. Le destinataire déchiffre la clé à l'aide de filtres polarisants et la technique utilisée pour chiffrer le message.
Les données secrètes sont toujours transférées via des lignes de communication standard, mais seule la clé quantique exacte peut décoder le message. Parce que la "lecture" des photons polarisés change leurs états, toute écoute indiscrète alerte les communicateurs de l'intrusion.
La technologie QKD est actuellement limitée par le câble à fibre optique, qui peut délivrer un photon sur environ 100 km avant de devenir trop faible pour être reçu. En 2004, le premier virement bancaire QKD enchevêtré a eu lieu en Autriche.
S'assurer que la transmission de communications incassables et inviolables dont la sécurité est prouvée sur la base de principes physiques a des applications évidentes dans les secteurs financier, bancaire, militaire, médical et autres. Plusieurs entreprises utilisent désormais le QKD intriqué.
2. Téléportation quantique
La téléportation quantique est également la méthode de transmission d'informations quantiques entre deux parties, telles que des photons, des atomes, des électrons et des circuits supraconducteurs. Selon les recherches, la téléportation permet aux QC de fonctionner en parallèle tout en utilisant moins d'électricité, ce qui réduit la consommation d'énergie de 100 à 1000 fois.
La distinction entre la téléportation quantique et la cryptographie quantique est la suivante :
- Echanges de téléportation quantique Sur un canal classique, des informations « quantiques » sont transmises.
- Echanges de cryptographie quantique Sur un canal quantique, des informations « classiques » sont transmises.
Les besoins en énergie des ordinateurs quantiques génèrent de la chaleur, ce qui est un défi étant donné qu'ils doivent fonctionner à des températures aussi basses. La téléportation a le potentiel de conduire à des solutions de conception qui accéléreront le développement de l'informatique quantique.
3. Système biologique
Le corps humain, comme toutes les créatures, change continuellement en raison de l'interaction de millions de processus chimiques et biologiques. Jusqu'à récemment, ils étaient supposés être linéaires, "A" menant à "B". Cependant, la biologie quantique et la biophysique ont découvert une énorme quantité de cohérence à l'intérieur des systèmes biologiques, le QE jouant un rôle.
La façon dont les diverses sous-unités de structures protéiques sont emballés ensemble est développé pour permettre un enchevêtrement et une cohérence quantiques soutenus. La biologie quantique est encore un sujet théorique avec diverses préoccupations sans réponse ; lorsqu'elles seront abordées, les applications en médecine deviendront de plus en plus visibles.
L'informatique quantique, en théorie, pourrait mieux ressembler à la nature (en simulant la liaison atomique) et aux systèmes biologiques quantiques que les ordinateurs classiques.
4. Codage super dense
Le codage superdense est la méthode de transmission de deux bits d'information conventionnels à l'aide d'un seul qubit intriqué. Un code super-dense peut :
- Permet à l'utilisateur d'envoyer la moitié de ce qui est nécessaire pour reconstruire un message classique à l'avance, permettant à l'utilisateur de communiquer à une vitesse doublée jusqu'à épuisement des qubits pré-livrés.
- La capacité d'un canal quantique bidirectionnel dans une direction est doublée.
- Convertissez la bande passante à latence élevée en bande passante à faible latence en transmettant la moitié des données sur le canal à latence élevée pour prendre en charge les données entrant sur le canal à faible latence.
Chaque génération de communication a appelé à davantage de transfert de données. Un gain d'information comparable sera possible avec un codage superdense.
Conclusion
L'intrication quantique peut nous permettre de travailler avec des données de manière inimaginable auparavant. En intégrant l'informatique quantique à l'intrication, nous serons en mesure de répondre aux problèmes qui exigent une quantité massive de données de manière plus efficace et plus sûre.
Avec l'ajout d'applications biologiques et astronomiques, QE pourrait être utilisé pour répondre aux questions que les humains ont longtemps réfléchies : d'où venons-nous et comment tout a commencé ?
Plus la technologie progresse, plus nous lui trouverons d'applications - elle est extrêmement prometteuse !
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