Des scientifiques de l'Université de Linköping ont montré comment fonctionne réellement un ordinateur quantique et ont réussi à simuler les propriétés d'un ordinateur quantique dans un ordinateur classique. "Nos résultats devraient être très significatifs pour déterminer comment construire des ordinateurs quantiques, " dit le professeur Jan-Åke Larsson.

Le rêve d'ordinateurs quantiques ultrarapides et puissants a de nouveau été mis au point, et d'importantes ressources ont été investies dans la recherche en Suède, L'Europe et le monde. Un ordinateur quantique suédois doit être construit d'ici dix ans, et l'UE a désigné la technologie quantique comme l'un de ses projets phares. À l'heure actuelle, peu d'algorithmes utiles sont disponibles pour les ordinateurs quantiques, mais on s'attend à ce que la technologie soit extrêmement importante dans les simulations de biologie, des systèmes chimiques et physiques bien trop compliqués pour les ordinateurs les plus puissants actuellement disponibles. Un bit dans un ordinateur ne peut prendre que la valeur un ou zéro, mais un bit quantique peut prendre toutes les valeurs intermédiaires. Tout simplement, cela signifie que les ordinateurs quantiques n'ont pas besoin d'effectuer autant d'opérations pour chaque calcul qu'ils effectuent.

Deux degrés de liberté

Le professeur Jan-Åke Larsson et son doctorant Niklas Johansson, dans la Division du codage de l'information au Département de génie électrique, Université de Linköping, ont compris ce qui se passe dans un ordinateur quantique et pourquoi il est plus puissant qu'un ordinateur classique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue scientifique Entropy.

"Nous avons montré que la différence majeure est que les ordinateurs quantiques ont deux degrés de liberté pour chaque bit. En simulant un degré de liberté supplémentaire dans un ordinateur classique, nous pouvons exécuter certains des algorithmes à la même vitesse qu'ils le feraient dans un ordinateur quantique, " dit Jan-Åke Larsson.

Ils ont construit un outil de simulation, Logique de simulation quantique, QSL, qui leur permet de simuler le fonctionnement d'un ordinateur quantique dans un ordinateur classique. L'outil de simulation en contient un, et un seul, propriété qu'un ordinateur quantique a qu'un ordinateur classique n'a pas :un degré de liberté supplémentaire pour chaque bit faisant partie du calcul.

"Ainsi, chaque bit a deux degrés de liberté :on peut le comparer à un système mécanique dans lequel chaque pièce a deux degrés de liberté :position et vitesse. Dans ce cas, nous traitons des bits de calcul - qui portent des informations sur le résultat de la fonction, et les bits de phase — qui transportent des informations sur la structure de la fonction, " explique Jan-Åke Larsson.

Algorithmes quantiques

Ils ont utilisé l'outil de simulation pour étudier certains des algorithmes quantiques qui gèrent la structure de la fonction. Plusieurs algorithmes s'exécutent aussi rapidement dans la simulation que dans un ordinateur quantique.

"Le résultat montre que la vitesse plus élevée des ordinateurs quantiques vient de leur capacité à stocker, traiter et récupérer des informations dans un degré de liberté supplémentaire porteur d'informations. Cela nous permet de mieux comprendre le fonctionnement des ordinateurs quantiques. Aussi, ces connaissances devraient faciliter la construction d'ordinateurs quantiques, puisque nous savons quelle propriété est la plus importante pour que l'ordinateur quantique fonctionne comme prévu, " dit Jan-Åke Larsson.

Jan-Åke Larsson et ses collaborateurs ont également complété leurs simulations théoriques par une version physique construite avec des composants électroniques. Les portes sont similaires à celles utilisées dans les ordinateurs quantiques, et la boîte à outils simule le fonctionnement d'un ordinateur quantique. Avec son aide les étudiants, par exemple, peut simuler et comprendre le fonctionnement de la cryptographie quantique et de la téléportation quantique, et aussi certains des algorithmes de calcul quantique les plus courants, comme l'algorithme de Shor pour la factorisation. (L'algorithme fonctionne dans la version actuelle de la simulation mais est aussi rapide ou lent que dans les ordinateurs classiques).