Décohérence : le paradoxe quantique qui ouvre la voie à l'ordinateur quantique utilisable

Un paradoxe au cœur de la mécanique quantique

Dans l'étrange monde de la physique subatomique, un chat peut être à la fois mort et vivant. C'est le célèbre paradoxe imaginé par Erwin Schrödinger pour illustrer les principes de la mécanique quantique. Le physicien théoricien du laboratoire national de Los Alamos, Wojciech Zurek, a accepté cette étrangeté comme une réalité et a cherché à comprendre comment, lorsque la boîte du chat est ouverte, l'animal est toujours soit mort, soit vivant, mais jamais les deux à la fois.

Zurek a passé des décennies à étudier la décohérence, un processus par lequel les interactions entre les systèmes quantiques et leur environnement produisent un comportement classique. Ce mécanisme explique comment les règles probabilistes et floues des atomes cèdent la place à la réalité définie et stable que nous expérimentons au quotidien. Ces travaux, longtemps restés théoriques, se sont avérés centraux pour la construction d'ordinateurs quantiques.

De la théorie à la stratégie : l'ordinateur quantique devient un enjeu

Dès le début des années 1980, la révolution de l'informatique classique battait son plein. Pourtant, le célèbre physicien Richard Feynman, lauréat du prix Nobel et ancien collaborateur de Los Alamos, avait déjà identifié une limite fondamentale des machines classiques : elles peineraient toujours à simuler le monde quantique. « La nature n'est pas classique, bon sang », avait-il déclaré en 1981. Son constat ouvrait la voie à un nouveau type de machine : l'ordinateur quantique.

Ces machines encoderaient l'information dans des bits quantiques, ou qubits, capables d'exister dans une superposition d'états, combinant zéro et un simultanément. Liés par un phénomène appelé intrication, les qubits forment un état quantique unifié où le comportement de chacun dépend de celui des autres. La puissance de calcul potentielle est immense, car le nombre d'états possibles double à chaque qubit ajouté.

Cependant, la décohérence fragilise ces états délicats. La chaleur, les champs électromagnétiques parasites ou les interactions avec l'environnement peuvent briser les superpositions et l'intrication. Pour qu'un calcul quantique réussisse, la cohérence doit être maintenue suffisamment longtemps.

La percée : corriger les erreurs sans détruire l'information

Le tournant est survenu en 1994, lorsque le mathématicien Peter Shor a démontré qu'un ordinateur quantique suffisamment puissant pourrait factoriser de grands nombres, remettant en cause les fondements de la cryptographie moderne. Cette découverte a transformé l'ordinateur quantique, d'une simple curiosité théorique, en une priorité stratégique pour la sécurité nationale, les communications et la finance.

Mais la construction d'une telle machine nécessitait de résoudre la décohérence. Zurek et ses collègues du laboratoire de Los Alamos, Emanuel Knill et Raymond Laflamme, se sont alors posé une question pratique : si la décohérence introduit inévitablement des erreurs dans un calcul quantique, peut-on les corriger avant qu'elles ne s'accumulent ? Le problème était paradoxal : détecter une erreur semblait nécessiter de mesurer un qubit, ce qui détruit l'état quantique fragile.

La réponse a été de changer ce qui était mesuré. Au milieu des années 1990, l'équipe a montré que l'information quantique pouvait être encodée sur plusieurs qubits intriqués, créant une redondance. Cela permettait de détecter indirectement les erreurs affectant des qubits individuels, sans mesurer et effacer l'état de calcul lui-même. Leurs travaux n'ont pas construit un ordinateur quantique, mais ils ont prouvé qu'un tel ordinateur à grande échelle n'était pas interdit par les lois de la physique.

De la promesse à la réalité : la seconde vague

Au cours des deux décennies suivantes, les chercheurs ont progressé sur cette voie. Au milieu des années 2010, une série de percées techniques a marqué le début de ce que Malcolm Boshier, physicien à Los Alamos, appelle la seconde vague de l'informatique quantique. Alors que la première vague a démontré que l'informatique quantique n'était pas impossible, la seconde cherche à savoir si elle peut être réalisée à grande échelle.

Les travaux de Los Alamos sont aujourd'hui au cœur de cette transition. En transformant le paradoxe de la décohérence en une voie de développement, les scientifiques ont ouvert la perspective d'ordinateurs quantiques utilisables pour des applications concrètes, comme la conception d'alliages résistants à la corrosion, la simulation de molécules complexes, ou encore la sécurisation ou le déchiffrement de codes cryptographiques.