Portes et circuits quantiques

Portes quantiques sont les opérations de base d'un ordinateur quantique, et un circuit quantique est une séquence de ces opérations appliquées à qubits. Ils jouent le rôle que jouent les portes logiques (ET, OU, NON) dans les ordinateurs ordinaires, mais ils obéissent aux règles de la mécanique quantique, ce qui les rend fondamentalement différents de leurs homologues classiques.

Les portes sont des rotations réversibles

L'état d'un qubit peut être représenté par une flèche sur une sphère (la sphère de Bloch). Une porte quantique fait tourner cette flèche, et chacune de ces rotations est décrite par un unitaire matrice - une transformation qui préserve la probabilité totale et peut toujours être annulée. Cette réversibilité est une exigence stricte : contrairement à une porte ET classique, qui rejette des informations, une porte quantique n’efface jamais l’état sur lequel elle agit.

Les portes courantes à qubit unique incluent le Porte X (un peu flip, le quantique NON), le Porte Z (un retournement de phase), et le Porte Hadamard, qui transforme un 0 ou un 1 défini en un superposition des deux. La porte clé à deux qubits est la contrôlé-NON (CNOT), qui inverse un qubit cible uniquement lorsqu'un qubit de contrôle est 1. CNOT est ce qui crée enchevêtrement entre qubits.

Universalité et circuits

Tout comme une poignée de portes classiques peuvent construire n'importe quelle fonction logique, un petit ensemble de portes quantiques est universel: des combinaisons de rotations d'un seul qubit avec CNOT peuvent approximer n'importe quelle opération quantique avec une précision arbitraire. Un circuit quantique se lit de gauche à droite, avec des lignes horizontales représentant des qubits et des symboles marquant les portes appliquées en séquence. Le circuit se termine par une mesure, qui réduit chaque qubit à un 0 ou un 1 défini et donne le résultat classique du calcul.

Une idée fausse courante

Un circuit quantique ne se contente pas d’essayer toutes les réponses en même temps et de rendre la bonne. La superposition permet au calcul d'explorer de nombreuses possibilités en parallèle, mais la mesure ne renvoie qu'un seul résultat. L'art de la conception d'algorithmes quantiques consiste à organiser les portes de manière à ce que interférence amplifie la probabilité de réponses utiles et annule le reste avant la mesure.