Interférence dans l'informatique quantique

Lorsque l'on parle d'informatique quantique, l'interférence n'est pas toujours mentionnée. Les effets de la mécanique quantique, tels que la superposition quantique, l'intrication et l'effet tunnel, occupent la première place. Cela s'explique peut-être par le fait que l'interférence est également un phénomène classique qui peut être observé à l'échelle macroscopique. On peut l'observer lorsque l'on jette deux pierres dans une étendue d'eau, par exemple, et que les crêtes s'annulent l'une l'autre, ou lorsque quelqu'un porte un casque anti-bruit actif. Néanmoins, pour tout ordinateur quantique, l'interférence est une propriété fondamentale du calcul. 

Qu'entend-on par interférence quantique ?

Il existe deux types d'interférences quantiques : les interférences constructives et les interférences destructives. Deux ondes en phase, c'est-à-dire qui culminent en même temps, interfèrent de manière constructive et l'onde résultante culmine deux fois plus haut. Deux ondes déphasées, en revanche, culminent à des moments opposés et interfèrent de manière destructive ; l'onde résultante est complètement plate. Toutes les autres différences de phase donnent des résultats intermédiaires, avec un pic plus élevé pour l'interférence constructive ou un pic plus bas pour l'interférence destructive.

Quelles sont les causes de l'interférence quantique ?

La cause fondamentale de l'interférence quantique est la dualité onde-particule. À l'échelle subatomique, les particules ont des propriétés ondulatoires. Ces propriétés ondulatoires sont souvent attribuées à l'emplacement, par exemple à l'endroit où se trouve un électron autour d'un noyau. C'est pourquoi les orbitales des électrons sont représentées comme des nuages de probabilités plutôt que comme des orbites comme les planètes autour du soleil. Cependant, cette incertitude de localisation s'applique également aux niveaux d'énergie et à l'orbite dans laquelle un électron peut se trouver.

Qu'est-ce que l'interférence quantique dans l'informatique quantique ?

En informatique quantique, les interférences sont utilisées pour affecter les amplitudes de probabilité. En d'autres termes, chaque résultat possible a une certaine probabilité de se produire. Lorsqu'on utilise un seul qubit pour le calcul, les résultats possibles sont seulement 0 et 1. Lorsqu'on utilise deux qubits, le nombre de résultats possibles double ; ces résultats possibles sont 00, 01, 10 et 11. Enfin, lorsque l'on utilise trois qubits, le nombre de résultats possibles double à nouveau pour atteindre 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 et 111. Cette croissance exponentielle est l'un des facteurs contribuant à la capacité des ordinateurs quantiques à effectuer certains calculs que l'on croit impossibles pour les superordinateurs les plus puissants du monde. 

Pour chaque résultat possible, la probabilité respective peut être aussi faible que 0 et aussi élevée que 1. Mathématiquement, la somme de toutes les probabilités de tous les résultats possibles doit être exactement égale à 1, ce qui représente 100 % de tous les résultats possibles. Pour en revenir aux causes de l'interférence quantique, chaque résultat mesure les niveaux d'énergie des qubits. Chaque qubit est-il à son niveau d'énergie de l'état fondamental, représenté numériquement par 0, ou est-il à son premier niveau d'énergie, représenté numériquement par 1 ? Comme la chaîne binaire résultante est la solution recherchée, par exemple 101, l'informatique quantique utilise l'interférence pour parvenir à cette solution.

Comment les interférences sont-elles utilisées dans l'informatique quantique ?

L'exemple le plus célèbre de l'utilisation de l'interférence en informatique quantique est l'algorithme de Grover, utilisé pour rechercher des valeurs ou des éléments répondant à certains critères. Cet algorithme est composé de plusieurs éléments, notamment la préparation de l'état, un oracle, un opérateur de diffusion et une mesure. En ce qui concerne l'interférence quantique, une discussion sur l'opérateur de diffusion est plus pertinente.

L'opérateur de diffusion de Grover fonctionne en conjonction avec l'oracle de définition du problème. Il utilise les deux types d'interférence quantique, l'interférence constructive et l'interférence destructive. Il utilise l'interférence constructive pour amplifier la ou les bonnes solutions au problème, et l'interférence destructive pour minimiser tous les autres résultats possibles. L'algorithme de Grover nécessite généralement plusieurs itérations de l'oracle et de l'opérateur de diffusion. À chaque itération, jusqu'à un nombre optimal, la (ou les) bonne(s) solution(s) est (sont) amplifiée(s) tandis que les solutions incorrectes sont minimisées. Au moment où le circuit quantique est mesuré, la (ou les) bonne(s) solution(s) est (sont), on l'espère, évidente(s).

Les algorithmes créés par les plateformes logicielles Classiq utilisent largement l'interférence quantique. Contactez-nous pour savoir comment ils pourraient vous aider dans votre démarche quantique.