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 applications du calcul quantique

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Xuan
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   Posté le 15-08-2016 à 13:52:07   Voir le profil de Xuan (Offline)   Répondre à ce message   Envoyer un message privé à Xuan   

Un calculateur quantique ou ordinateur quantique repose sur des propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication d'états quantiques.
Le calcul quantique est une application particulièrement déroutante de la recherche sur la mécanique quantique, "branche de la physique qui a pour objet d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les systèmes physiques, plus particulièrement à l'échelle atomique et subatomique.
Elle fut développée au début du xxe siècle par une dizaine de physiciens américains et européens, afin de résoudre différents problèmes que la physique classique échouait à expliquer, comme le rayonnement du corps noir, l'effet photo-électrique, ou l'existence des raies spectrales.

Au cours de ce développement, la mécanique quantique se révéla être très féconde en résultats et en applications diverses. Elle permit notamment d'élucider le mystère de la structure de l'atome, et plus globalement elle s'avéra être le cadre général de description du comportement des particules élémentaires, jusqu'à constituer le socle de la physique moderne.

L'expression physique quantique désigne quant à elle un corpus théorique un peu plus étendu, qui s'appuie sur la mécanique quantique pour décrire des phénomènes particuliers, notamment les interactions fondamentales.
La mécanique quantique comporte de profondes difficultés conceptuelles, et son interprétation physique ne fait pas l'unanimité dans la communauté scientifique.
Parmi ces concepts, on peut citer la dualité onde corpuscule, la superposition quantique, l'intrication quantique ou encore la non-localité."
Wikipedia

Lire aussi l'article sur le calculateur quantique

Physique quantique

La dualité onde-particule du photon et de l’électron

l’antiélectron





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Le satellite quantique de la Chine ouvre une nouvelle ère


Par : Vivienne 
French.china.org.cn - Mis à jour le 15-08-2016


Le lancement imminent du premier satellite de communication quantique au monde est pressenti pour ouvrir une nouvelle ère dans le développement par la Chine de la technologie quantique.

Mystérieuse et déroutante, l'étude des particules quantiques - plus petites que des atomes - a trouvé son application dans des domaines aussi divers que le traitement informatique, les lasers et la technologie nucléaire.
D'ici quelques jours, la Chine devrait lancer le premier satellite de communication quantique au monde. Parmi les préparations intenses de ce satellite quantique, les scientifiques espèrent qu'ils arriveront à résoudre l'un des phénomènes les plus étranges de la physique quantique : l'intrication quantique. En faisant rayonner les photons intriqués individuels entre l'espace et les stations terrestres, le satellite devrait être capable de tester si la propriété d'intrication quantique peut couvrir des distances aussi importantes.

« Nous avons la technologie pour produire des paires de photons intriqués sur le satellite » , explique Pan Jianwei, membre de l'Académie chinoise des sciences et scientifique en chef du projet de satellite de communication quantique chinois. Un photon d'une paire intriquée sera envoyé vers une station à Delingha dans la province du Qinghai, et le second, soit vers une station à Lijiang dans la province du Yunnan, soit à Urumqi dans la région du Xinjiang. La distance entre les deux stations terrestres est approximativement de 1200 km.

Comment la communication quantique changera-t-elle nos vies, notamment dans une époque d'attaques informatiques, d'écoutes électroniques et de fuites d'information ?
Basé sur le phénomène qu'une particule quantique peut agir comme si elle était simultanément à deux endroits différents, l'informatique quantique pourrait éclipser la capacité de traitement informatique des super-ordinateurs d'aujourd'hui. Dans les puces électroniques normales au silicium, les données sont rendues dans l'un des deux états suivants : 0 ou 1. Dans les ordinateurs quantiques, les données pourraient cependant exister simultanément dans les deux états, augmentant de façon exponentielle leur niveau d'information.

Par analogie, on dit qu'un ordinateur quantique serait capable de lire tous les livres d'une bibliothèque en même temps, alors qu'un ordinateur traditionnel ne peut que les lire l'un après l'autre. Ainsi, un problème qui prendrait 100 ans à résoudre pour Tianhe-2 (l'un des super-ordinateurs les plus rapides de Chine), ne nécessiterait plus qu'un centième de seconde pour être résolu par un ordinateur quantique.

En juillet 2015, un laboratoire d'informatique quantique, établi conjointement par l'Académie chinoise des sciences et le géant chinois de l'Internet Alibaba, a ouvert à Shanghai. Ce laboratoire devrait produire un prototype d'ordinateur quantique destiné au grand public avec 50 à 100 bits quantiques d'ici 2030. De telles capacités de calcul peuvent également être vues comme une menace, car elles rendraient tous les ordinateurs conventionnels « piratables ».

Cependant, comme les deux faces d'une même pièce, la mécanique quantique peut également servir à protéger l'information. La technologie clé quantique bénéficie une sécurité ultra-haute, car un photon ne peut être séparé, ni dupliqué. Il est donc impossible d'écouter ou d'intercepter une information transmise à travers eux.

Par ailleurs, les photons ont la capacité d'informer deux utilisateurs qui communiquent entre eux, de la présence d'une partie tierce essayant de les espionner. Dans le même temps, l'information intercepté « s'effondrerait » ou s'auto-détruirait.

Selon Pan Jianwei, la Chine devrait compléter et mettre en opération d'ici la fin de l'année le premier réseau fédérateur de communication quantique sécurisée au monde : le réseau fédérateur Beijing-Shanghai. Long de 2000 km, ce réseau sera utilisé dans les domaines de la finance, de l'électronique et des affaires gouvernementales. Le satellite et le réseau terrestre permettront ainsi le transport sécurisé de l'information.


Edité le 29-09-2016 à 15:18:35 par Xuan




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Xuan
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   Posté le 29-09-2016 à 13:43:21   Voir le profil de Xuan (Offline)   Répondre à ce message   Envoyer un message privé à Xuan   

Ci-dessous un article de vulgarisation assez clair sur les applications récentes de la mécanique quantique.
Le laser en fait déjà partie depuis 1954.
La mécanique quantique avait fait l'objet d'un débat entre les physiciens Einstein et Bohr sur la possibilité pour deux photons "intriqués" (issus par exemple de la division en deux d'un photon initial), c'est-à-dire tous deux polarisés positif et négatif, de pouvoir changer simultanément de polarité à distance et de se retrouver tous les deux dans le même état.

Des physiciens regroupés dans l'école de Copenhague ont alors orienté la philosophie des sciences physiques vers la métaphysique et l'idéalisme.
Leurs thèses s'appuyaient sur le fait qu'aucune "variable cachée" ne pouvait être démontrée contrairement au point de vue d'Einstein.
L'action à distance qui défie les lois de la relativité, parce qu'elle est censée dépasser la vitesse limite de la lumière, servait de prétexte à diverses spéculations du genre mondes multiples en parallèle, etc.
L'absence d'explication sur la "superposition" d'états opposés dans un photon, l'impossibilité d'appréhender ces états jusqu'à la fin du trajet de la particule, justifiait la thèse que la matière relève en définitive de l'expérience et n'a pas d'existence propre, que la recherche ne permettra jamais d'aller au-delà, etc.
Il s'avère que l'école de Copenhague prétendue "triomphante" n'a rien apporté à la compréhension de la mécanique quantique, et n'a fait qu'ouvrir la porte aux théories les plus fumeuses, y compris créationnistes ou déistes.

Ce domaine fait l'objet de développements nouveaux et il est certain que la théorie scientifique progressera encore. Il apparaît que les particules "élémentaires" ne le sont pas vraiment puisqu'elles peuvent aussi être divisées et répondre à des lois dialectiques.

On trouvera un ouvrage réfutant les thèses de l'école de Copenhague publié à l'Harmattan : Eftichios Bitsakis "le nouveau réalisme scientifique".


Que la lumière soit ! Mais une particule à la fois


25 mai 2016, 06:39 CEST

Auteurs
Niccolo Somaschi
Postdoctoral researcher - Quantum physics, Centre national de la recherche scientifique (CNRS)
Nathan Shammah
PhD Student in Physics, Quantum Theory & Technology Group, University of Southampton
Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur poste universitaire.
Partenaires
University of Southampton
University of Southampton apporte un financement en tant que membre adhérent de The Conversation UK.
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Les photons uniques – ces particules élémentaires de la lumière – peuvent désormais être générés sur demande, ces photons étant exactement identiques. Cette avancée est une clé de voûte pour de nombreuses applications technologiques dans le domaine du quantique. Il s’agit pour les chercheurs de pouvoir dans un premier temps mener une simulation quantique, un pas en avant vers un ordinateur quantique à la puissance de calcul bien supérieure à ce que nous connaissons avec l’ordinateur classique.

Révolution quantique

En 1900, le physicien allemand Max Planck a étudié le problème dit du corps noir : il s’agissait de décrire, au niveau microscopique, le rayonnement émis par un corps chaud. Planck émet alors l’hypothèse que la lumière prend une forme discrète (non continue) – en d’autres termes que l’on peut la quantifier. Tout au long du XXe siècle, la mécanique quantique a formalisé ce concept. Au premier abord, il semble en contradiction avec l’idée que la lumière était une onde ; il est maintenant admis que les photons sont des particules élémentaires constituant le champ électromagnétique.


Laser optique. Wikipédia

Notre compréhension des propriétés quantiques macroscopiques de la lumière a conduit à de nombreuses innovations technologiques, des LED jusqu’au laser. Elles fondent aussi la circulation de l’information : toutes nos données numériques voyagent à travers le monde grâce à des impulsions de lumière envoyées dans des fibres optiques.

Si l’on veut que se poursuive cette révolution technologique, les propriétés intrinsèques des systèmes quantiques doivent encore être comprises et contrôlées – afin de pouvoir exploiter toutes leurs capacités. Par exemple, citons deux propriétés majeures : la superposition quantique qui permet la coexistence physique des plusieurs états à la fois ; et l’intrication grâce à laquelle il est possible de jouer sur les corrélations instantanées entre des objets éloignés l’un de l’autre.

Bien que ces propriétés défient notre notion intuitive de la réalité et du temps et de l’espace, elles ont été soigneusement testées et vérifiées. Dans un Internet quantique, l’information serait codée sur des bits quantiques (qubits) et ces qubits pourraient être superposés ou intriqués. Ces propriétés pourraient être mises en œuvre dans plusieurs protocoles numériques : communication sécurisée grâce à la cryptographie quantique ou réalisation d’algorithmes informatiques plus rapides.

Les photons uniques au cœur de la technologie

Les qubits peuvent s’appuyer sur une variété de systèmes quantiques, des atomes ou ions isolés aux circuits supraconducteurs, mais aucune de ces plates-formes pour la technologie quantique n’a encore fait l’unanimité : les recherches se poursuivent dans toutes les directions. Cependant, les propriétés spécifiques aux photons (long temps de cohérence, vitesse, de faibles pertes) en font un choix optimal en tant que « qubits volants » pour interconnecter les nœuds statiques quantiques.

La capacité de générer, contrôler et de détecter des photons uniques est donc cruciale. Circuits optiques à faibles pertes sur une large bande spectrale, commutateurs optiques et détecteurs de photons uniques avec un excellent rendement (98 %) sont des technologies bien avancées et même prêtes pour une industrialisation. Bien plus, des expériences innovantes avec des photons uniques pour un échange d’informations quantiques sur des distances des centaines de kilomètres, ainsi qu’entre la Terre et des satellites ont été déjà effectuées.

Cependant, la qualité des sources de photons était encore loin d’être optimale, jusqu’aux récentes avancées technologiques évoquées ici. Deux équipes de recherche indépendantes ont donc publié dans les journaux scientifiques Physical Review Letters et Nature Photonics leurs résultats à propos de dispositifs semi-conducteurs permettant de générer des flux de photons identiques sur demande avec une qualité suffisamment élevée pour être exploitée commercialement. C’est une percée majeure dans le domaine de la technologie quantique.

Ces nouveaux dispositifs réunissent toutes les caractéristiques requises pour en faire un « canon de photons » ( photon gun ). Soit un composant essentiel pour la réalisation d’une future machine quantique capable de forger des algorithmes grâce aux photons uniques.

Une source pure et brillante de particules identiques

Mais concrètement, un « canon de photons », ça fonctionne comment ? Il doit émettre uniquement un photon à la fois, à des instants précis. La source doit également être brillante, en émettant beaucoup de photons par unité de temps et avec une probabilité égale à 1 à chaque fois. Enfin, la propriété clé pour effectuer des opérations quantiques est l’indiscernabilité des photons : ces particules devenant exactement identiques. Lorsque deux photons ou plus possèdent la même couleur, la même forme spatiale et temporelle, on dit qu’ils sont indiscernables.

Si cette condition est satisfaite, lorsque les photons circulent dans un circuit optique et se rencontrent à une intersection, alors ils sortiront toujours ensemble dans une sortie de l’intersection. Cette interférence est une preuve de la nature quantique de la lumière. C’est aussi un outil essentiel pour la réalisation d’une nouvelle génération d’algorithmes impossibles à réaliser avec des photons discernables.

Jusqu’à présent, le choix principal pour la mise en œuvre de sources de photons uniques était fondé sur l’utilisation de lasers atténués combinés avec des processus physiques non linéaires. Ces approches garantissent une très bonne indiscernabilité des photons, mais une faible brillance. Cela a conduit à une limite fondamentale sur le nombre de photons uniques qu’il était possible d’intriquer en même temps (huit), ainsi que sur le nombre de photons utilisée comme qubits pour la computation dans un circuit photonique (trois).

L’importance des récents résultats tient dans les propriétés intrinsèques du système. Les sources de lumière sont en fait basées sur des boîtes quantiques semi-conductrices, objets nanométriques constitués de milliers d’atomes et qui peuvent émettre des photons uniques avec une grande efficacité. Les nouvelles sources développées permettent de générer une séquence de bits quantiques identiques sur une grande échelle temporelle. Grâce à la miniaturisation et la reproductibilité des technologies liées aux semi-conducteurs, cette nouvelle approche permettrait ainsi de loger des dizaines de sources efficaces similaires sur des centaines de micromètres carrés.

Suprématie quantique

La machine quantique du futur capable de calculer des algorithmes ou de traiter de l’information avec de la lumière serait idéalement alimentée par des photons uniques sur demande. Il a été démontré que des qubits optiques étaient suffisants pour alimenter n’importe quel algorithme quantique, et donc composer un ordinateur quantique universel. Mais il faudrait pour cela plusieurs milliers de qubits, ce qui, technologiquement, est ardu.

À court terme, l’intérêt des machines quantiques réside dans leur capacité à simuler d’autres systèmes quantiques qui intéressent la recherche. Au lieu de chercher à fabriquer une machine quantique universelle tout de suite, les recherches actuelles réalisent des expériences simulant un phénomène quantique spécifique que des ordinateurs classiques ne pourraient calculer.


Edité le 29-09-2016 à 15:17:42 par Xuan




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   Posté le 19-10-2016 à 23:44:49   Voir le profil de Xuan (Offline)   Répondre à ce message   Envoyer un message privé à Xuan   

Un article assez clair sur les progrès technologiques dans la mesure du temps et des distances, et leurs applications pratiques.
On notera dans le dernier paragraphe une remarque importante sur les théories scientifiques et les contradictions entre la relativité et la mécanique quantique. Plus précisément ces contradictions opposent la conception réaliste défendue par Einstein et les conceptions positivistes de l'école de Copenhague, dont les conclusions les plus extrêmes nient la causalité, et l'existence de la réalité en dehors de l'observateur.
Il s'agit là au fond d'un enjeu philosophique dans la conception du monde, entre idéalisme et métaphysique d'une part, et matérialisme dialectique d'autre part.



La démesure de la précision



CNRS le journal
11.10.2016, par Noël Dimarcq et Isabelle Sagnes

La mesure du temps atteint aujourd’hui des précisions vertigineuses, grâce notamment aux apports de l’optique et de la photonique. Or la recherche de la précision ultime est une course de longue haleine qui est loin d’être achevée.
Il n’y a pas que la science qui soit affaire de mesures et d’exactitude. Sans que l’on s’en rende compte, surfer sur Internet ou déterminer sa position grâce à un GPS sont des opérations qui demandent des mesures de temps ou de distance d’une précision très élevée… et sans cesse croissante. À tel point que c’est une véritable course qui s’est engagée dans le monde, pour aboutir à des mesures toujours plus fines. Au cœur de cette course et objet de toutes les attentions des scientifiques et des industriels : le photon, sorte de petit corpuscule de lumière.


Dans l’histoire, les mesures de précision sur des ondes lumineuses ont souvent été associées à de grandes découvertes ou à des révolutions scientifiques. À la fin du XIXe siècle, l’expérience avec l’interféromètre Michelson a été déterminante pour l’émergence de la relativité restreinte. Plus près de nous, un interféromètre d’architecture similaire mais de dimensions géantes a permis la détection des ondes gravitationnelles. Ce type d’appareils aux architectures variées permet de mesurer très précisément diverses grandeurs physiques, comme la vitesse de rotation des fusées ou des avions, les déformations et les contraintes dans de grandes structures ou encore la valeur du champ de pesanteur terrestre, avec des applications en sismologie ou pour la recherche pétrolière.

Une seconde de décalage toutes les 15 milliards d’années

De toutes les mesures, celle du temps (et plus exactement la mesure d’une durée) a toujours été la plus précise. Et ce grâce aux nombreux apports de l’optique et de la photonique. Pendant des siècles, les horloges mécaniques ont pu être recalées grâce à l’observation de la lumière émise par les astres dans le ciel, permettant la détermination de l’orientation de la Terre et donc du temps astronomique. Depuis l’invention des horloges atomiques au milieu du XXe siècle, la précision de la mesure du temps s’est améliorée d’un ordre de grandeur tous les dix ans, atteignant aujourd’hui avec les horloges optiques des niveaux de précision de 18 chiffres après la virgule. Ce qui correspondrait à une dérive de seulement une seconde sur une durée équivalente à l’âge de l’Univers ! En cette période de Nobel, notons que cette progression des horloges atomiques a été permise par des méthodes photoniques innovantes dont la plupart ont été récompensées par des prix Nobel, souvent co-décernés à des scientifiques français : Alfred Kastler en 1966 pour le pompage optique, Claude Cohen-Tannoudji en 1997 pour le refroidissement et le piégeage des atomes par laser, Serge Haroche en 2012 pour le développement de processus quantiques de contrôle et de mesure de l’état d’un atome.



Horloge optique au strontium. Les horloges à mesure optique offrent aujourd'hui une précision de l'ordre de 18 chiffres après la virgule.
SYRTE

Des besoins toujours plus grands


Nul besoin d’attendre 15 milliards d’années pour exploiter pleinement la précision de ces horloges dans des expériences scientifiques ou dans des applications à fort enjeu socio-économique. Ainsi, les besoins de synchronisation des réseaux de télécommunications deviennent chaque jour plus contraignants avec l’augmentation du débit, le nombre d’objets connectés à synchroniser (20 milliards en 2020), la précision croissante exigée pour la synchronisation des systèmes de transactions bancaires à haute fréquence, des réseaux distribués d’énergie (smart grids) ou des nouvelles usines intelligentes exploitant la révolution numérique.

En matière de GPS, une erreur d’un milliardième de seconde conduit à une erreur de positionnement de 30 cm.
Mais l’application la plus connue à ce jour reste sans aucun doute les systèmes mondiaux de positionnement par satellites1 : ici, la position de l’utilisateur est calculée par triangulation à partir des distances entre ce récepteur et les satellites de la constellation qui émettent vers le sol des signaux synchronisés sur des horloges atomiques. Connaissant la vitesse de propagation de ces signaux, égale à la vitesse de la lumière, ces distances sont déduites des mesures des durées de propagation entre les satellites et le récepteur au sol. Cette application illustre à merveille l’importance de la précision de la mesure du temps : une erreur d’un milliardième de seconde conduit à une erreur de positionnement de 30 cm.

Ceci n’est pas gênant pour connaître la position d’une automobile mais n’est plus négligeable pour l’atterrissage des avions par exemple, ou en géophysique où la précision millimétrique est requise pour l’étude des mouvements des plaques tectoniques ou l’évolution du niveau des océans. Cette façon de mesurer une distance à partir d’une durée est très utilisée, dans les travaux publics mais aussi pour déterminer précisément – au centimètre près – la distance Terre-Lune par télémétrie laser. Une autre application plus terre à terre et moins agréable pour certains est le contrôle des vitesses des véhicules à l’aide de jumelles laser.


Station de télémétrie laser sur satellites, mise au point par l’Observatoire de la Côte d’Azur avec le soutien du CNES, du CNRS et de l’IGN.
GEOAZUR/SYRTE

La mesure, un juge de paix pour la science

Les systèmes mondiaux de positionnement par satellites sont aussi une belle illustration que la théorie de la relativité d’Einstein n’est pas utile qu’aux scientifiques : les effets relativistes dus au mouvement des satellites (relativité restreinte) et à la gravitation terrestre (relativité générale) induiraient au bout d’un jour un décalage du temps des horloges correspondant à des erreurs de positionnement de plus de 10 km si ces effets n’étaient pas connus et corrigés ! Mais la théorie d’Einstein est elle-même mise sur la sellette par les théories contemporaines cherchant à unifier les théories de la physique quantique et de la gravitation. Encore une fois, ce sont des mesures de précision qui seront le juge de paix en cherchant à détecter une déviation à la théorie d’Einstein, par exemple avec des comparaisons d’horloges atomiques ultra stables fonctionnant dans les laboratoires et bientôt dans l’espace, comme l’horloge Pharao à atomes refroidis par laser, qui sera installée en 2018 sur la Station spatiale internationale.

Tous ces records de précision doivent beaucoup aux composants et systèmes photoniques qui eux aussi ont vu leurs caractéristiques s’améliorer au fur et à mesure de multiples innovations technologiques. Aujourd’hui, il est possible d’intégrer dans le volume d’une boîte à chaussures toutes les fonctions optiques qui occupaient une salle entière d’expérience il y a 20 ans : sources laser, moyens de contrôle efficaces des paramètres du faisceau laser, fibres optiques, etc. Mais la recherche de la précision ultime est une course de longue haleine qui est loin d’être terminée et exige encore beaucoup d’avancées scientifiques et technologiques. Le passé l’a montré, l’avenir le confirmera : les mesures de très haute précision conduisent indéniablement à des révolutions scientifiques et à des ruptures technologiques importantes pour notre société.


Les points de vue, les opinions et les analyses publiés dans cette rubrique n’engagent que leur auteur. Ils ne sauraient constituer une quelconque position du CNRS.

Notes
1. GPS (USA), GLONASS (Russie), Beidou (Chine), Galileo (Europe).

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