VERS UNE MEMOIRE QUANTIQUE AVEC DES IONS PIEGES

tel-00430795, version 1 - 9 Nov 2009
Chapitre 1
Mémoire quantique
L’objectif à long terme des activités expérimentales dans lequelles s’inscrit ce travail de
thèse est la réalisation d’une mémoire quantique, un dispositif clef pour augmenter la portée
des réseaux de communication quantique. Le principe est la conservation sans dégradation et
la plus longue possible dans un milieu atomique bien contrôlé d’un état quantique apporté
sous forme lumineuse. Ce premier chapitre introduit le domaine de l’information quantique et
détaille les motivations de la mise en place de ce type de mémoire. La description quantique
des parties lumineuse et atomique est donnée dans un second temps, avant d’aborder quelques
protocoles de mémoire qui ont été proposés et développés.
1.1 Information et mémoire quantique
1.1.1 Information quantique
En dépit de l’étrangeté de ses prévisions et des vives controverses qu’elle a fait naître, la
mécanique quantique a fini par être communément admise dans la communauté physicienne
au cours du XX ème siècle. Les années 1980 ont ainsi vu conjointement la dernière grande
démonstration attendue de la pleine nature quantique du monde [13] et l’émergence de nouveaux
domaines d’application.
Parmi eux, l’information quantique, c’est à dire le traitement de l’information par des entités
dont le comportement est quantique tire partie des lois de cette théorie pour élaborer des
protocoles de traitement de l’information et de communication originaux. Son avènement
peut être retracé à l’aune de trois communications datant respectivement de 1982 [14], 1984
[1] et 1997 [2] que l’on se propose d’examiner maintenant.
C’est sans doute Richard Feynman [14] qui le premier considère un système quantique sous
l’angle de l’information qu’il contient, en se demandant dans quelle mesure il est possible
de le simuler numériquement. Il constate qu’un ordinateur classique est incapable de calculer
de manière satisfaisante 1 les probabilités d’évolution d’un système quantique arbitrairement
grand. Il envisage la simulation de ce système par un autre système physique dont
l’évolution est probabiliste. Peut-on alors imaginer un simulateur de nature classique dont
1 On peut séparer les problèmes algorithmiques d’après une estimation théorique des besoins en
mémoire informatique et des temps de calcul en différentes classes de niveaux : logarithmiques (le plus
simple), polynomial et exponentiel (le plus complexe). Une complexité polynomiale correspond à des
temps de calcul raisonnablement courts, ce que Feynman définit comme satisfaisant