La physique quantique est la théorie qui décrit le comportement de la matière et de l'énergie à l'échelle atomique et subatomique. Contrairement aux objets classiques qui ont des états bien définis, les particules quantiques peuvent exister dans une superposition d'états multiples simultanément. Un bit classique ne peut être que 0 ou 1, mais un système quantique peut être dans une combinaison des deux états en même temps.
Un qubit, ou bit quantique, est l'unité fondamentale de l'information quantique. Contrairement à un bit classique qui ne peut être que dans l'état 0 ou 1, un qubit peut exister dans une superposition de ces deux états. Mathématiquement, un qubit est représenté par la combinaison linéaire alpha fois l'état 0 plus bêta fois l'état 1, où alpha et bêta sont des amplitudes de probabilité complexes. La sphère de Bloch permet de visualiser tous les états possibles d'un qubit dans un espace tridimensionnel.
Les portes quantiques sont les opérations fondamentales qui permettent de manipuler les qubits dans un circuit quantique. Contrairement aux portes logiques classiques, toutes les portes quantiques sont réversibles. Les principales portes incluent Pauli-X qui effectue une rotation de pi autour de l'axe X, Pauli-Z qui effectue une rotation autour de l'axe Z, et la porte Hadamard qui crée une superposition équiprobable. La porte CNOT permet d'opérer sur deux qubits simultanément, créant de l'intrication quantique.
Les algorithmes quantiques représentent l'une des applications les plus prometteuses de l'informatique quantique. L'algorithme de Grover permet de rechercher un élément dans une base de données non triée en racine de N opérations au lieu de N pour un algorithme classique. Il utilise l'amplification d'amplitude pour augmenter progressivement la probabilité de mesurer l'élément recherché. L'algorithme de Shor, quant à lui, peut factoriser des entiers en temps polynomial, ce qui menace la sécurité des systèmes cryptographiques actuels comme RSA.
L'informatique quantique trouve aujourd'hui des applications concrètes dans de nombreux domaines. La cryptographie quantique promet des communications ultra-sécurisées, tandis que la simulation moléculaire accélère la découverte de nouveaux médicaments. L'optimisation quantique révolutionne la logistique et la finance, et l'intelligence artificielle quantique ouvre de nouvelles perspectives d'apprentissage. Malgré les défis techniques comme la décohérence et la correction d'erreurs, les entreprises comme IBM, Google et IonQ développent des systèmes de plus en plus puissants, promettant un impact révolutionnaire sur notre société.