Physique 50 ans plus tard, quoi?

2022/11/11 García Vergniory, Maia - FisikariaDIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Dans mon domaine, dans 50 ans, ils domineront les technologies quantiques. Ce sont les technologies que nous rechercherons et communiquerons. Ce sont des technologies basées sur les propriétés de situations complexes. Mais que sont ces situations compliquées et où sommes-nous en ce moment ? Commençons par le début…

La mécanique quantique a une curieuse réputation d'être la plus réussie de nos théories scientifiques et à la fois la plus mystérieuse. Il s'est développé dans une période marquée entre 1900 et 1920, tandis que le formalisme actuel s'est développé à la fin des années 20. Depuis lors, les physiciens ont eu un grand succès en appliquant la mécanique quantique pour comprendre les particules et les forces fondamentales de la nature et sont arrivés à configurer le modèle standard de physique des particules. En même temps, les physiciens ont eu un grand succès simultané dans l'application de la mécanique quantique pour comprendre le faisceau fascinant de composés du monde, des polymères aux semi-conducteurs, des superflus aux superconducteurs. Mais, bien que ces développements aient considérablement amélioré la compréhension du monde naturel, ils n'ont que légèrement amélioré la compréhension de la mécanique quantique.

La base des technologies quantiques: l'enchevêtrement quantique
Ici je vais parler de l'application de la mécanique quantique à l'informatique quantique, et pour cela, nous devons présenter sa base théorique: les états compliqués. L'histoire des situations compliquées a commencé avec la non-conformité avec les fondements de la mécanique quantique Einstein, lors de la formulation du soi-disant paradoxe EPR. Le paradoxe était centré sur le modèle de deux particules entrelacées, car Einstein était déterminé à le nier. Aujourd'hui, l'emmêlement quantique est l'un des principes fondamentaux de la physique quantique. L'emmêlement quantique signifie que beaucoup de particules sont en quelque sorte interconnectées et agissent comme si elles étaient une seule. Ainsi, la mesure de l'état quantique d'une particule permet de connaître et de déterminer les états quantiques possibles d'autres particules.

Cette connexion ne dépend pas de la position spatiale des particules. Même si vous séparez les particules mélangées pendant des milliards de kilomètres, le changement d'une particule provoque un changement dans l'autre. Pour Einstein, c'était un paradoxe, car il semble qu'il implique une communication entre deux particules à une vitesse supérieure à celle de la lumière, ce qui est en conflit avec la théorie de la relativité d'Albert Einstein lui-même. Cependant, plus tard, il a été démontré que l'interprétation d'Einstein était erronée parce que les particules ne bougent pas. Bien qu’il semble que l’enchevêtrement quantique transmette rapidement des informations, il ne porte pas atteinte à la vitesse classique de la lumière, car il n’y a pas vraiment de « mouvements ». Essayant de nier la mécanique quantique, Einstein a conçu l'idée de s'enrouler.

Imaginez quel pourrait être le potentiel technologique de cette idée si on parvenait à maîtriser des situations compliquées : avec une particule on peut agir sur une autre très lointaine. Cependant, il a fallu des décennies pour trouver les applications des enchevêtrements quantiques.

Les nouvelles questions ont commencé à changer la façon dont elles pensaient à la mécanique quantique dans les décennies d'existence et d'existence. Certains chercheurs se sont demandé si certaines questions fondamentales de l'informatique et de l'information pourraient s'appliquer à l'étude des systèmes quantiques. Auparavant, les systèmes quantiques n'étaient utilisés que pour expliquer des phénomènes naturels, ces chercheurs ont montré que les systèmes quantiques pouvaient être conçus pour n'importe quelle application. Petite vision mais des conclusions profondes. On ne voit plus le monde quantique, mais on peut à la place créer le monde quantique à notre goût.

D'une part, l'intérêt suscité par les fondements de la mécanique quantique est apparu et, d'autre part, de nombreuses questions nouvelles ont surgi en combinant les domaines de la physique, de l'informatique et de la théorie de l'information. Quelles sont les limites physiques fondamentales de l'espace temporel pour la construction de l'état quantique? ; combien de temps et d'espace faut-il pour une opération dynamique donnée ? Pourquoi est-il si difficile de comprendre et de simuler des systèmes quantiques en utilisant des systèmes classiques?

Quatre jalons Les
progrès ont été nombreux depuis. Le progrès le plus spectaculaire est peut-être celui des expériences. De nombreuses années sont nécessaires pour construire des ordinateurs quantiques à grande échelle, mais de grands progrès ont été réalisés. Des circuits supraconducteurs ont été utilisés pour la mise en œuvre d'algorithmes quantiques simples à deux qubits* et les systèmes à trois qubits sont pratiquement disponibles. Le qubits basé sur des spins nucléaires et un photon unique ont été utilisés respectivement pour démontrer la correction des erreurs quantiques et la mise en œuvre du principe de simulation quantique. Mais le progrès le plus spectaculaire de tous a été celui des systèmes d'ion. Les ions capturés ont également été utilisés pour afficher la base des communications quantiques de base, y compris la correction des erreurs quantiques et la téléportation quantique.

La deuxième avancée a été la façon dont les algorithmes quantiques peuvent être implémentés sur les ordinateurs quantiques. Étonnamment, le calcul quantique peut être implémenté simplement en mesurant la séquence d'un seul qubit, le qubit nous donnera des implémentations différentes selon combien, quand et comment ils sont mesurés. Il est évident qu'ils vous donnent un état quantique fixe, puis le calcul quantique vous obtenez « en regardant » correctement les qubits individuels.

Le troisième progrès a été l'exercice de la simulation classique de systèmes quantiques. La simulation des systèmes quantiques sur les ordinateurs classiques semble souvent difficile, en fait, nous avons assez de contraintes informatiques avec les ordinateurs classiques. Mais dans les années 2000, nous avons appris quels systèmes quantiques sont faciles à simuler et quels sont difficiles à simuler. Des algorithmes ingénieux ont été développés pour la simulation classique de nombreux systèmes quantiques autrefois difficiles à simuler. En particulier, de nombreux systèmes quantiques d'une dimension spatiale et certains systèmes quantiques bidimensionnels ont été simulés, avec des résultats concrets. Ces algorithmes classiques ont été obtenus grâce au développement de descriptions classiques lumineuses. En même temps, nous avons su que certains systèmes qui semblaient auparavant simples sont étonnamment complexes. Ces études ont clarifié quels systèmes quantiques sont faciles et difficiles à simuler.

Le quatrième progrès a été l'approfondissement de la compréhension des canaux quantiques de communication. Une belle et complète théorie a été développée pour savoir comment l'état quantique complexe peut contribuer à la communication classique sur les canaux quantiques. De nombreux protocoles quantiques de communication ont été organisés dans les familles, unissant ainsi une grande partie de la compréhension des différents types de communication possible avec l'information quantique.

Une des principales raisons de travailler dans la science de
l'information quantique est la possibilité pour les algorithmes quantiques rapides de résoudre des problèmes informatiques importants. Ici, les progrès réalisés au cours de la dernière décennie ont été mitigés, car même si un effort important a été fait, les idées des principaux algorithmes sont maintenues comme il y a 10 ans. Mais le progrès technique a été remarquable. Or, nous ne comprenons pas encore ce qui rend les ordinateurs quantiques forts, ou dans quel genre de problèmes on s'attend à surmonter les ordinateurs classiques.

Au cours des prochaines années, les ordinateurs quantiques fourniront non seulement une plus grande capacité informatique, mais ils seront nécessaires pour résoudre le problème énergétique. Un ordinateur quantique obtiendrait une amélioration de l'énergie équivalente à quatre qubit de plus, et sans peu augmenter l'énergie, il résoudrait des problèmes difficiles. Par conséquent, il n'est pas nécessaire d'obtenir une réduction significative du temps utilisé pour capter les économies d'énergie que peut entraîner l'informatique quantique: les avantages sont au-delà du calcul quantique.

* Qubit (ou bit quantique) est l'analogue mécanique quantique d'un bit classique.