la superposition rend compte de la capacité d’un système quantique à être dans deux états en même temps jusqu’à ce qu’on le mesure. Elle peut être imagée avec l’expérience de lancement d’une pièce de monnaie. Lorsqu’on lance une pièce, il y a deux résultats possibles : pile ou face, il n’est pas possible de prédire l’état final pile ou face jusqu’à ce qu’elle tombe et se pose sur une surface. La mesure du système quantique fait « choisir » l’état final, similairement à la pièce qui tombe sur une surface et montre son résultat (pile ou face).

L’intrication est un phénomène, basé sur ce qu’Einstein appelait « l’action fantôme à distance », dans lequel deux qubits forment un système lié. Ils ont des états quantiques qui dépendent l’un de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

On peut imager l’intrication grâce à une expérience de pensée consistant à lancer deux pièces de monnaie en l’air et observer la face sur laquelle elles tombent. Dans notre monde macroscopique, chaque pièce a une chance sur deux de tomber sur pile ou face. Dans le monde quantique, si ces deux pièces sont intriquées, elles ont toujours une chance sur deux de tomber sur pile ou face, par contre, elles tomberont inéluctablement sur la même face.

Bien qu’allant à l’encontre de l’intuition, ces deux propriétés ont été définitivement démontrées grâce aux expériences du physicien français Alain Aspect au début des années 80 et qui lui ont valu en 2022 le prix Nobel de Physique. Ces deux phénomènes ont été au cœur de nombreuses découvertes scientifiques.

La superposition ouvre la voie à la notion de bit quantique d’information ou qubit. Dans la seconde révolution quantique, un bit d’information ne prend pas seulement deux valeurs, 0 ou 1, mais peut prendre une infinité de valeurs, combinant 0 et 1. Le qubit a progressivement émergé dans des systèmes physiques au fur et à mesure des progrès de la recherche fondamentale. Aujourd’hui, il est possible de réaliser des qubits à partir de large variété d’objets quantiques. Ainsi, il est possible de réaliser des « qubits atomiques » en piégeant un atome unique et en manipulant ses électrons avec des lasers. Une autre manière de fabriquer des qubits consiste à manipuler des photons uniques. Il est aussi possible de fabriquer des « atomes » artificiels dans les matériaux semi-conducteurs, en sculptant la matière à l’échelle nanométrique. Enfin, il est possible de réaliser des circuits électriques à base de matériaux supraconducteurs qui se comportent également comme des atomes uniques.

Les propriétés de superposition et d’intrication des qubits confèrent une sorte de parallélisme intrinsèque à l’ordinateur quantique. Elles permettent également de réaliser des capteurs de plusieurs ordres de grandeurs plus sensibles que leurs équivalents classiques et d’imaginer d’autres manières d’utiliser nos infrastructures de communications qu’elles soient terrestres ou spatiales.

La réalisation de qubits repose sur le contrôle de particules élémentaires telles que des atomes, des ions, des électrons ou des photons. Ces qubits, dits « physiques », sont intrinsèquement vulnérables au bruit en raison des interactions qu’ils ont avec leur environnement. Cette vulnérabilité les empêche de se comporter de la manière prédite par la théorie. Pour créer des entités qui se comportent logiquement comme un seul qubit « parfait » tolérants aux défauts, appelés également qubits logiques, se comportant exactement comme leurs modèles mathématiques, il faudra, à terme, fabriquer des grandes quantités de qubits physiques de qualité et utiliser des méthodes de correction d’erreurs et de tolérance aux fautes.