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RÉSUMÉ
L'interaction entre lumière et matière joue souvent un rôle fondamental dans la conception et la réalisation de systèmes d'information quantique. Cet article décrit quelques principes du traitement quantique de l'information, puis les techniques optiques permettant la manipulation des états quantiques de la matière. Les matériaux présentés sont principalement des cristaux dopés par des ions de terres rares. Après une revue de leurs propriétés pertinentes, leurs applications aux mémoires et processeurs quantiques sont exposées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Thierry CHANELIÈRE : Chargé de recherche au CNRS, laboratoire Aimé Cotton – CNRS, Orsay, France
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Anne LOUCHET-CHAUVET : Chargée de recherche au CNRS, laboratoire Aimé Cotton – CNRS, Orsay, France
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Alban FERRIER : Maître de conférences à l'université Pierre et Marie Curie, Institut de Recherche de Chimie Paris, Chimie ParisTech, Paris, France
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Philippe GOLDNER : Directeur de recherche au CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris, Chimie ParisTech, Paris, France
INTRODUCTION
L'idée d'information quantique est née au début des années 1980 partant d'un état de fait : il était difficile de simuler le comportement d'un système quantique à partir d'ordinateurs classiques. Ce constat a déclenché la conception d'algorithmes théoriques de traitement de l'information basés sur les lois de la mécanique quantique. Leur mise en œuvre pratique a demandé d'une part d'identifier un système physique suffisamment bien maîtrisé pour qu'il soit régi par les lois quantiques et d'autre part d'adapter les algorithmes à la réalité du terrain expérimental.
Cette quête du système idéal a naturellement impliqué plusieurs domaines de la physique allant de la physique atomique à celle du solide. La chimie n'est pas en reste puisqu'elle apporte une contribution essentielle dans le développement de nouveaux matériaux. La mise au point de cristaux optiquement actifs dans ce contexte est emblématique d'une approche interdisciplinaire.
La matérialisation expérimentale d'objets quantiques revêt systématiquement un enjeu fondamental puisqu'elle permet de répondre aux questions que les pères fondateurs de la mécanique quantique n'abordaient que par la réflexion.
Dans le cas précis des cristaux optiques, la problématique stimule des développements nouveaux alors que leur utilisation comme cristaux laser semblait les avoir portés à leur apogée. Le jeu des contraintes nouvelles a permis des évolutions dans leur fabrication, mais aussi dans la compréhension et le contrôle de la dynamique des atomes optiquement actifs.
Quel que soit le système physique, les mises en œuvre stimulent largement le domaine applicatif : de façon directe puisque quelques PME proposent des produits basés sur le traitement quantique de l'information pour la cryptographie, la génération de nombres aléatoires et très récemment pour le calcul quantique ; mais aussi de façon indirecte, puisqu'avec la miniaturisation des circuits, le comportement des électrons devient quantique. Pour que la limite floue entre mondes classique et quantique ne se révèle pas être un verrou technologique, il est important de mieux en comprendre les lois dès maintenant.
L'objectif de notre article est d'une part d'introduire les notions d'information quantique en tant que concept, de présenter les outils de sa manipulation et d'autre part de montrer dans ce contexte l'intérêt des cristaux dopés terres rares.
Nous passons en revue quelques réalisations phares actuellement à l'état de l'art pour ce domaine en devenir.
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1. Information quantique
1.1 Bits quantiques – qubits
1.1.1 Définition d'un qubit et représentation géométrique
Les systèmes d'information classiques sont basés sur la logique booléenne. Dans ce cadre, l'unité d'information, appelée « bit », est un nombre qui peut prendre deux valeurs distinctes : 0 ou 1. Ces « bits » sont en général matérialisés par des systèmes physiques pouvant exister dans deux états facilement distinguables, comme par exemple la présence ou l'absence d'une tension, d'une charge ou d'un courant. L'information est codée sous forme de séquences de bits que l'ordinateur manipule. Lors des calculs, l'ordinateur applique des opérations qui peuvent être décomposées en suites d'opérations élémentaires, ou portes logiques.
Dans un système d'information quantique, l'information est codée sous formes de « qubits », ou bits quantiques. Un qubit peut être par exemple un spin 1/2, ou un atome dont on ne considère que deux de ses niveaux d'énergie, ou encore un photon présentant deux états possibles de polarisation (horizontale ou verticale). Les deux états correspondent respectivement aux valeurs 0 et 1 du bit classique. On les note alors
. La particularité du bit quantique est qu'il peut exister non seulement dans l'un ou l'autre de ses états dits « propres », mais aussi dans un état de superposition (ou combinaison linéaire) de ses deux états. Un état de superposition s'écrit comme une combinaison linéaire des états propres :
où α et β sont des nombres complexes tels que |α |2 + | β |2 = 1.
Un qubit peut ainsi avoir une infinité...
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Information quantique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - EINSTEIN (A.), PODOLSKY (B.), ROSEN (N.) - Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ? - Phys. Rev., 47(10), p. 777 (1935).
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(2) - KIMBLE (H.J.) - The quantum internet. - Nature, 453, p. 1023-1030 (2008).
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(3) - SHOR (P.W.) - Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on quantum computer. - SIAM Journal on Computing, 26(5), p. 1484-1509 (1997).
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(4) - GROVER (L.K.) - Quantum mechanics helps in searching for a needle in a haystack. - Phys. Rev. Lett., 79, p. 325-328 (1997).
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(5) - HAROCHE (S.), Nobel Lecture - Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary. - Nobelprize.org., Nobel Media AB 2013, Web., 8, nov. 2013.
-
(6) - KÖNZ (F.), SUN (Y.), THIEL (C.W.), CONE (R.), EQUALL (R.), HUTCHESON (R.), MACFARLANE (R.M.) - Temperature...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Liens :
• QUREP : projet européen pour le développement d'un répéteur quantique http://www.quantumrepeaters.eu/
Solutions complètes de sécurisation par cryptographie quantique
Entreprises spécialisées dans le domaine
• IDQ, Genève (Suisse) http://www.idquantique.com/instrumentation/clavis.html
• MagiQ Technologies, Boston (États-Unis) http://www.magiqtech.com/
• D-Wave Systems Inc., Burnaby, British Columbia (Canada) http://www.dwavesys.com/
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