Imaginez une particule lumineuse qui est complètement violette, mais aussi complètement bleue, verte, jaune, orange et rouge. Impossible ? Des chercheurs montréalais viennent de créer de tels photons. Et ils espèrent les utiliser un jour pour bâtir des ordinateurs ultrapuissants. Voici quelques concepts pour comprendre cette découverte publiée dans la prestigieuse revue Nature.

DES BITS...

On connaît les bits, ces unités d'information qui peuvent prendre la valeur « un » ou « zéro » et qui sont traitées par nos ordinateurs. On peut les comparer à des pièces de monnaie qui reposent sur une table et qui peuvent afficher soit pile, soit face.

... AUX QUBITS...

Vous avez peut-être entendu parler des qubits, des entités étranges qui, grâce aux lois de la mécanique quantique, peuvent prendre les valeurs « un » et « zéro »... en même temps. Pensez à une pièce de monnaie en train de tournoyer dans les airs, et qui se retrouve à être une superposition des états « pile » et « face » jusqu'à ce qu'elle tombe.

... ET AUX QUDITS

Comme si les progrès n'étaient pas assez difficiles à suivre comme ça, voilà que des chercheurs de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) ont inventé des qudits - des photons qui peuvent prendre simultanément plusieurs couleurs différentes. « Au lieu d'une pièce de monnaie, c'est comme si on lançait un dé. On se retrouve avec une superposition de six états », illustre Roberto Morandotti, professeur au Centre énergie, matériaux et télécommunications de l'INRS. Dans les faits, en jouant avec les fréquences, les chercheurs ont réussi à créer des photons à 10 couleurs différentes. Ces « couleurs » sont en réalité des fréquences dans l'infrarouge et donc invisibles pour l'oeil. Notons que le « d » de qudits est pour « dimensions ».

ORDINATEUR QUANTIQUE

Pourquoi s'amuser à fabriquer des particules qui peuvent prendre plusieurs valeurs simultanément ? Parce que les chercheurs veulent les utiliser pour réaliser un vieux rêve : créer un ordinateur quantique. Le fait que les qubits et les qudits puissent avoir plusieurs états à la fois veut dire une chose : alors que l'ordinateur classique doit faire une opération à la fois, l'ordinateur quantique peut en effectuer plusieurs simultanément. En théorie, un ordinateur quantique pourrait résoudre en quelques secondes certains problèmes que les ordinateurs actuels mettraient un temps supérieur à l'âge de l'Univers à élucider. Selon Roberto Morandotti, les qudits à plusieurs dimensions ont un avantage sur les qubits à deux dimensions. « Plus vous avez de dimensions, plus vous pouvez transporter d'information », dit-il.

DÉFIS

Mais attendez un peu avant de vous précipiter vers la section « ordinateur quantique à photons multicolores » chez Best Buy ou à l'Apple Store. « S'il ne s'agissait que de générer les photons multicolores, nous serions très près d'un ordinateur quantique. Le problème, c'est qu'il faut aussi les détecter. Il faut créer un détecteur très sensible qui peut travailler avec plusieurs photons, et je crois que ça prendra 10 ou 20 ans à développer », dit le professeur Morandotti.

Les qudits générés par l'équipe ont un grand avantage : ils sont fabriqués avec de l'équipement optique relativement peu cher. Les qubits, par opposition, sont fabriqués dans des laboratoires de pointe et doivent être exploités à de très faibles températures, ce qui nécessite des infrastructures coûteuses.

Alexandre Blais, directeur scientifique de l'Institut Quantique de Sherbrooke, salue la percée québécoise. « La question de savoir comment on va passer d'une démonstration de principe à un ordinateur fonctionnel n'est pas résolue du tout », précise-t-il toutefois. Il souligne aussi que pour l'instant, les qubits ont une bonne longueur d'avance sur les qudits - Intel, IBM et Google investissent des sommes considérables dans leur développement, et IBM a même construit un ordinateur quantique à 16 qubits qui peut être programmé en ligne.

« Ceci dit, il y a bien des gens très sérieux qui croient aux qudits, et c'est certainement intéressant de voir une découverte québécoise de ce type publiée dans Nature », dit le professeur Blais.