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La classe de XIème Scientifique 2020-2021 Thème général : Les erreurs en science - Esquisse d’une théorie de la magie Problématique général : « Comment l’erreur ouvre-t-elle le portail de la découverte scientifique? »

Sous - thème : L’ordinateur quantique : vers une science sans erreurs Problématique : « Dans la quelle mesure l’ordinateur quantique pourrait-il corriger les erreurs en science ? »

L’équipe pédagogique : Madame Patrichi Ileana Ana Madame Baleanu Ștefania Madame Zota Gabriela Madame Grosu Alice

Groupe de travail : Iosifescu David Georgian Jianu Elena Diana Panduru Alexandra Oana Rocsin Dragos Teodor Tudorache Iris Maria

C’est quoi la superposition quantique? L’histoire de l’ordinateur quantique L’ordinateur quantique Quand on ateindra la suprématie quantique? L’informatique quantique un aide pour les médecins Journal photo Horoscope quantique

Qui n’aime pas les blagues?

La superposition quantique Par Panduru Alexandra

La superposition est l'un des principes fondamentaux de la mécanique quantique. En physique classique, une onde décrivant un ton musical peut être vue comme plusieurs ondes de fréquences différentes qui s'additionnent, se superposent. De même, un état quantique en superposition peut être vu comme une combinaison linéaire d'autres états quantiques distincts. Cet état quantique en superposition forme un nouvel état quantique valide. Même si ça semble compliqué, pratiquement, le principe de la superposition quantique signifie le fait que pour une certaine quantité de temps un état se trouve en plusieurs positions, ou il a des différentes caractéristiques en même temps. Par exemple, la position d’un atome. Il se trouve en superposition quantique, alors en plusieurs positions simultané, mais quand on l’observe il reste par hasard dans une seule position.

Le Chat de Schrödinger En mécanique quantique, le chat de Schrödinger est une expérience de pensée qui illustre un paradoxe apparent de superposition quantique. Cette expérience de pensée a été conçue par le physicien Erwin Schrödinger en 1935, dans une discussion avec Albert Einstein en essayant de répondre à quelques questions sur l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique.

Pour faire cette expérience de pensée un chat, une fiole de poison et une source radioactive sont placés dans une boîte scellée. Si un moniteur interne (par exemple: un compteur Geiger) détecte de la radioactivité, la fiole est brisée, libérant le poison, qui tue le chat. Selon l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique après un certain temps, le chat est à la fois vivant et mort, c'est-à-dire en superposition quantique. Pourtant, quand on regarde dans la boîte, on voit le chat vivant ou mort. Alors, la question que se pose est quand la superposition quantique disparaît ?

Les qubits L’ordinateur quantique utilise des qubits. Selon, le principe de superposition ils peuvent représenter une combinaison de 0 et de 1 en même temps, chose qui n’était pas possible avant car le bit peut stocker justement un 0 ou un 1 ( l’ordinateur que tout le monde connaît utilise ces bits ). Donc, la superposition quantique est le début de la révolution technologique dans ce domaine, sans ce principe l’ordinateur quantique n’aurais jamais pu exister . En définitive, le principe de superposition quantique est quelque chose d'assez difficile à comprendre, abstrait, mais très intéressant. La superposition quantique ouvre des portes vers une technologie qu’on ne peut pas s’imaginer, l'ordinateur quantique étant l'élément qui va changer tout ce que nous savons aujourd'hui.

UNE PETITE HISTOIRE DE L’ORDINATEUR QUANTIQUE Par Tudorache Iris

Après tous les essais de la superposition quantique, la suprématie quantique et l’ordinateur, on peut parler un peu de l’origine de cet ordinateur assez connu qui a fait beaucoup de ravages dans le monde de la physique.

1. Comment tout a commencé ? Je commence avec la crème de la crème… quanta d’énergie lumineuse, je suis sûre que vous le connaissez ou peut-être sous le nom de : photon, nom donné par Lewis Gilbert. Ce photon est la base qui a poussé la découverte de la physique quantique. Intéressant n’est-ce pas ? Max Planck, le fondateur de la physique quantique a découvert une des plus importantes formules : la formule de la radiation de Planck est difficile (E = nhʋ, où h est la constante qui porte son nom Planck ; E c’est l’énergie est ʋ c’est la fréquence de la radiation), mais comme Richard Feynman a dit « Si tu crois comprendre la physique quantique, tu ne comprends pas la mécanique quantique », dont Einstein lui-même est mort sans comprendre cette formule.

2. L’idée de faire un ordinateur quantique En 1980, des nouvelles théories ont apparu sur les rues du monde par la voie boucheoreille, comme d’habitude, qui indiquent qu’il y a une possibilité de faire des calculs mathématiques au niveau quantique, ça signifie très vite, en quelques minutes, peut-être secondes. Les plus grandes idées

de construire l’ordinateur quantique ont commencé avec Paul Benioff qui s’est imaginé qu’il ressemble avec la machinerie Touring. Entre 1993-1997 sont inventés des algorithmes quantiques très importants comme : L’algorithme de Schor qui peut décomposer un nombre entier en facteur premier et L’algorithme de Glover qui accélère la recherche dans les bases de données. Après 1998 un prototype d’ordinateur quantique est apparu. Il a justement 2 qbits et il peut télécharger les données et donner une réponse. En plus la première téléportation est inventée, en téléportant un photon, dont j’ai parlé au premier point. En présent il existe un ordinateur quantique d’IBM qui a 53 qbits et Google a annoncé qu’il a touché la suprématie quantique (quand un ordinateur classique ne peut

L’ORDINATEUR QUANTIQUE Par Tudorache Iris La notion d’ordinateur quantique est assez difficile à comprendre car c’est un peu différent d’un ordinateur normal. Cet ordinateur quantique travaille avec des qubits, des bites quantiques ou les bits 1 et 0 sont en même temps sur une seul position 1, les physiciens disent qu’ils sont dans une superposition quantique, état Pour mieux comprendre je veux vous donner un exemple avec un jeu de hasard. Avec un ordinateur normal qui travaille avec des bits. On prend deux monnaies avec une face et une pile. L’ordinateur commence le premier jeu et il peut choisir s’il veut tirer la monnaie ou pas, mais on ne va jamais connaître le résultat. Après, c’est le tour de vous qui choisissez si vous tirez ou pas. L’ordinateur joue de nouveau et après ces trois tours le jeton est dévoilé. Si c’est la face l’ordinateur gagne si c’est la pile vous gagnez. C’est un jeu assez simple et si le jeu est correct les chances de gagner sont 50%-50% (1 ou 0). Si on joue ce jeu sur l’ordi-

nateur quantique ça va être complètement plus complique. Les chances de gagner sont 3% contre 97%, dont c’est tellement impossible de gagner en face de cet ordinateur quantique. Il a perdu quelque temps à cause d’erreurs internes mais ça va se remédier. Alors, comment a-t -il gagné ? C’est justement la physique quantique dans l’action bien-sûre. Comme j’ai déjà dise un ordinateur normal modélise le pile ou la face par un bit 1 ou 0 ou comme un interrupteur on/ off. L’ordinateur quantique est plus différent, alors qu’il a une identité non binaire. Il peut être dans une superposition quantique ou il y a même 0 même 1. Dans le jeu, si tu tournes ou pas la monnaie n’est pas importante car la superposition reste intacte. À la fin, l’ordinateur quantique va séparer les deux et donnera une réponse sera dévoiler : la face, pour que vous perdiez chaque fois. Un processeur fabriqué par GOOGLE, nom-

mé SYCAMORE PROCESSOR a réussi à avoir plus de 253 états superposés et en 2020 D-Wave a développé un système qui enclude plus de 5000 bits =2 5000 états superposés mais pour que l’ordinateur réussisse à résoudre des grands problèmes comme le cure pour le cancer, c’est nécessaire d’avoir 1 milliard de Qbits et on est un peu loin. Pour toucher la suprématie quantique on a besoin que l’ordinateur quantique fasse ce qu’un ordinateur normale ne peut pas, simple n’estce pas ? En présent, il y a un ordinateur SUMMIT qui peut faire ce que l’ordinateur quantique peut mais en plus de temps temps, SYCAMORE a beaucoup de problèmes maintenant parce qu’il faisait des erreurs de calcul et les solutions pour réussir à fabriquer des résultats sont aussi difficile à réaliser. Schor, un informaticien, physicien a développé un code spécial pour factoriser les nombres et aussi un code correcteur des erreurs, mais pour implé-

menter ça c’est nécessaire d’avoir 1 milliard de qbits. La température optime que l’ordinateur quantique doit avoir est 100 millikélvin. Les électroniques comme vous déjà sauvez ne marches pas à une température assez basse et aussi ils émettent un chauffage qui peut perturber les qbits. Ce grand problème a été résolu justement temporaire par mettre les électroniques en dehors de l’ordinateur et il travaille avec 250 millions de Go de RAM ce qui est immense. Chaque qbit est connecté avec un fil à son « controller» électronique, mais ce n’est pas une solution définitive, on ne peut jamais connecter 1 millions de Qbits, chacun à son fil, c’est tellement impossible.

La correction des erreurs: quand l’impossible devient possible Par Jianu Elena

L’informatique quantique dans le drug design Décrire et calculer avec précision toutes les propriétés quantiques de tous les atomes d’une molécule ainsi que concevoir et analyser des molécules pour le développement de médicaments est un grand défi. La nature est faite de particules dont les mécanismes sont décrits par la physique quantique. Nos cerveaux et les médicaments que nous recherchons sont également basés sur la physique quantique et peuvent donc être simulés avec précision sur des ordinateurs quantiques. Les ordinateurs quantiques fonctionnent en utilisant les mêmes propriétés quantiques que les molécules qu’ils essaient de simuler et donc la conception des médicaments peut être plus précise et à l’avenir, conduire à des traitements pour des maladies qui ne sont pas encore traitées aujourd’hui comme l’Alzheimer ou certains types de cancer.

Qu’est ce qu’il fait, l’ordinateur quantique dans la simulation des réactions chimiques? La chimie est bien adaptée au calcul quantique, car une réaction chimique est intrinsèquement quantique. Pour modéliser complètement une telle réaction, il faut connaître les états quantiques de tous les électrons impliqués. Et l’ordinateur quantique de Google a réalisé quelque chose qui pourrait avoir des applications dans le monde réel, car il a réussi à simuler une réaction chimique simple. Cette avancée ouvre la voie vers la chimie quantique, qui pourrait permettre aux scientifiques de mieux comprendre les réactions entre molécules et conduire à des applications utiles, comme de meilleures batteries, de nouvelles façons de fabriquer des engrais ou des méthodes plus efficaces pour éliminer le dioxyde de carbone de l’air. L’experiment a consisté dans la simulationune version simplifiée

de l’état énergétique d’une molécule composée de 12 atomes d’hydrogène, chacun des 12 qubits représentant l’unique électron d’un des atomes. Ils ont ensuite modélisé une réaction chimique dans une molécule contenant des atomes d’hydrogène et d’azote, notamment comment la structure électronique de la molécule change lorsque ses atomes d’hydrogène passent d’un côté à l’autre. De telles simulations pourraient aider les chimistes à comprendre exactement comment cette réaction fonctionne – et comment elle changerait si on modifiait la température ou le “cocktail chimique”.

L’informatique quantique dans la médecine personnalisée À l’avenir, les docteurs auront la possibilité d’intégrer un grand nombre d’ensembles de données inter-fonctionnelles dans leurs modèles de facteurs de risque des patients, leur permettant, par exemple, de déterminer l’effet de la pollution sur les antécédents médicaux d’un patient. De plus, comme les algorithmes quantiques commenceront à détecter des

modèles dans le comportement d’un patient, ils pourront produire des recommandations ciblées. Dans le cas des patients cancéreux, l’informatique quantique, grâce à ses capacités de traitement de données améliorées, pourrait identifier le protocole de chimiothérapie approprié plus rapidement et avec un niveau de personnalisation plus élevé. Associés à l’intelligence artificielle et aux jumeaux numériques, les ordinateurs quantiques permettront aux médecins d’adapter leurs traitements aux spécifications exactes d’un patient. De plus, chaque approche thérapeutique pourrait d’abord être précisément modélisée et simulée sur des jumeaux virtuels avant d’être administrée aux patients. Même si cela semble assez futuriste à première vue, la base d’un large accès à l’informatique quantique est déjà disponible et utilisée aujourd’hui.