Quantum

Qu'est-ce qu'un quantum ? (Physique quantique)

Un quantum (pluriel : quanta) est la plus petite unité discrète d'un phénomène. Par exemple, un quantum de lumière est un photon, et un quantum d'électricité est un électron. Quantum vient du latin et signifie "une quantité" ou "combien ?". Si une chose est quantifiable, elle peut être mesurée.

Qu'est-ce que le quantum en physique ?

L'utilisation moderne du terme "quantum" en physique a été inventée par Max Planck en 1901. Il essayait d'expliquer le rayonnement du corps noir et la façon dont les objets changeaient de couleur après avoir été chauffés. Au lieu de supposer que l'énergie était émise sous la forme d'une onde constante, il a supposé que l'énergie était émise sous la forme de paquets discrets ou de faisceaux. Ces paquets sont appelés quanta d'énergie. C'est ainsi qu'il a découvert la constante de Planck, qui est une valeur universelle fondamentale.

La constante de Planck est symbolisée par h et relie l'énergie d'un photon à la fréquence du photon. D'autres unités ont été dérivées de la constante de Planck : la distance de Planck et le temps de Planck, qui décrivent l'unité de distance la plus courte et l'unité de temps la plus courte. Pour toute unité inférieure, le principe d'incertitude de Werner Heisenberg rend les mesures insignifiantes.

La découverte des quanta et de la nature quantique des particules subatomiques a entraîné une révolution dans le domaine de la physique. C'est ainsi qu'est née la théorie des quanta, ou mécanique quantique. La théorie quantique décrit le comportement des particules microscopiques ; la théorie de la relativité d'Albert Einstein décrit le comportement des objets macroscopiques. Ces deux théories sont à la base de la physique moderne. Malheureusement, elles traitent de domaines différents, ce qui pousse les physiciens à rechercher une théorie dite unifiée de tout.

Les particules subatomiques se comportent de manière contre-intuitive. Un seul photon de lumière peut passer simultanément par deux fentes dans un morceau de matériau, comme le montre l'expérience de la double fente. Le chat de Schrödinger est une célèbre expérience de pensée qui décrit une particule quantique en superposition, ou l'état dans lequel la forme d'onde de probabilité ne s'est pas effondrée. Les particules peuvent également être enchevêtrées de manière quantique, ce qui leur permet d'interagir instantanément à distance.

Qu'est-ce que l'informatique quantique ?

L'informatique quantique utilise la nature des particules subatomiques pour effectuer des calculs au lieu d'utiliser des signaux électriques comme dans l'informatique classique. Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits au lieu de bits binaires. En programmant les conditions initiales du qubit, l'informatique quantique peut résoudre un problème lorsque l'état de superposition s'effondre. L'avant-garde de la recherche sur les ordinateurs quantiques consiste à relier un plus grand nombre de qubits entre eux afin de pouvoir résoudre des problèmes plus importants et plus complexes.

Les ordinateurs quantiques peuvent effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. Pour trouver une réponse à un problème, les ordinateurs classiques doivent examiner chaque option une par une. Cela peut prendre beaucoup de temps pour passer en revue toutes les options pour certains types de problèmes. Les ordinateurs quantiques n'ont pas besoin d'essayer chaque option ; au lieu de cela, ils résolvent la réponse presque instantanément.

Parmi les problèmes que les ordinateurs quantiques peuvent résoudre plus rapidement que les ordinateurs classiques figurent la factorisation des nombres premiers et le problème du voyageur de commerce. Une fois que les ordinateurs quantiques auront démontré leur capacité à résoudre ces problèmes plus rapidement que les ordinateurs classiques, la suprématie quantique sera atteinte.

La factorisation des nombres premiers est une fonction importante des systèmes de cryptographie modernes qui sécurisent les communications numériques. Les experts s'attendent actuellement à ce que les ordinateurs quantiques rendent les systèmes cryptographiques existants peu sûrs et obsolètes.

Des efforts pour développer la cryptographie post-quantique sont en cours afin de créer des algorithmes qui résistent aux attaques quantiques, mais qui peuvent encore être utilisés par des ordinateurs classiques. À terme, une cryptographie entièrement quantique sera disponible pour les ordinateurs quantiques.