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L’information quantique subit des compressions

by CIFAR oct. 8 / 14
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Image: Les chercheurs ont démontré que l’information quantique entreposée dans une collection de qubits préparés de façon identique pouvait être parfaitement comprimée dans un nombre exponentiellement plus petit de qubits.

Des chercheurs ont démontré qu’on peut comprimer exponentiellement de l’information entreposée dans des bits quantiques et en garantir l’intégrité. Cette réalisation constitue une importante validation de principe et pourrait se révéler utile pour accroître l’efficacité des communications quantiques et l’entreposage de l’information.

La compression est essentielle pour la communication numérique moderne. Cela permet la diffusion en continu rapide de films sur internet, l’écoute de musique sur des lecteurs numériques et la transmission d’appels téléphoniques par satellites et par câbles à fibres optiques.

Mais on ignorait si l’information entreposée dans des bits quantiques, ou qubits, pouvait aussi être comprimée. Un nouvel article par Aephraim M. Steinberg (Université de Toronto), Boursier principal au sein du programme Informatique quantique de l’ICRA, démontre que l’information quantique entreposée dans une collection de qubits préparés de façon identique pouvait être parfaitement comprimée dans un nombre exponentiellement plus petit de qubits.

La compression numérique dans l’univers de la théorie classique de l’information est assez simple. À titre d’exemple, si vous avez une série de mille 0 et de 1 et que vous désirez seulement savoir combien il y a de 0, vous n’avez qu’à les compter et noter le total.

Les choses se compliquent dans l’univers quantique. Un qubit peut-être en « superposition » entre 0 et 1 jusqu’à ce que vous le mesuriez, moment auquel il s’écrase en 0 ou en 1. Vous pouvez aussi extraire des valeurs différentes selon la méthode de mesure. Mesuré d’une certaine façon, un qubit pourrait avoir une valeur de 0 ou 1. Mesuré d’une autre façon, il pourrait prendre la valeur d’un plus ou d’un moins. Ces caractéristiques offrent d’énormes possibilités en matière de calcul subtil et puissant. Mais cela veut aussi dire qu’il ne faut pas écraser l’état quantique du qubit avant d’être prêt. Une fois que vous avez pris une mesure, toute autre information que vous auriez souhaité extraire du qubit disparaît.

Vous pourriez simplement entreposer le qubit jusqu’à ce que vous soyez prêt à en mesurer la valeur. Mais vous seriez peut-être en présence de milliers ou de millions de qubits.

« Notre proposition vous permet de fonctionner avec une plus petite mémoire quantique tout en ayant la possibilité d’extraire autant d’information plus tard, comme si vous aviez tout conservé dès le départ », explique Steinberg.

 

Dans le cadre de cette expérience, Lee Rozema, chercheur au sein du laboratoire de Steinberg et auteur principal de l’article, a préparé des qubits sous la forme de photons qui transmettaient de l’information par leur spin et leur trajectoire. L’expérience a démontré qu’il était possible de comprimer l’information contenue dans trois qubits, dans deux qubits seulement. En outre, les chercheurs ont démontré que la compression suivrait une échelle exponentielle. Conséquemment, il ne faudrait que dix qubits pour entreposer toute l’information sur 1000 qubits et seulement 20 qubits pour entreposer toute l’information sur environ un million de qubits.

Mais il faut faire attention, car il est nécessaire d’entreposer l’information dans des qubits préparés à l’aide d’un processus identique. Or de nombreuses expériences en informatique quantique utilisent de tels qubits préparés de façon identique et la technique pourrait se révéler fort utile.

« Ces travaux ont permis de jeter de la lumière sur certaines des différences frappantes entre l’information dans l’univers classique et l’univers quantique. Qui plus est, ils promettent d’entraîner une réduction exponentielle de la quantité de mémoire quantique nécessaire à certaines tâches », dit Steinberg.

« Cette idée a vu le jour lors d’une réunion de l’ICRA », dit-il. « Une allocution prononcée par Robin Blume-Kohout (Sandia National Laboratory) à la réunion d’Innsbruck m’a incité à réfléchir pour la première fois à la compression des données, et des discussions avec le conférencier ont mené à ce projet. »

Cet article sera publié dans un prochain numéro de Physical Review Letters. En plus de Rozema et Steinberg, les autres auteurs sont Dylan H. Mahler, le chercheur mondial de l’ICRA Alex Hayat et Peter S. Turner.

Ces recherches ont été financées en partie par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.