Frédéric Magniez, professeur invité sur la chaire annuelle Informatique et sciences numériques, introduit son cours de l'année 2020-2021 : Algorithmes quantiques.
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Tous les calculs informatiques sont actuellement exécutés sur des ordinateurs contraints par les lois de la physique newtonienne, dite encore physique classique. Cependant, comme l'a suggéré Richard Feynman dans les années 80, un ordinateur quantique pourrait tirer profit des phénomènes de superposition et d'intrication de la physique quantique afin d'accélérer ses calculs. Alors que des prototypes d'ordinateur quantique encore très limités voient progressivement le jour, start-up, grandes entreprises du numérique, et aussi gouvernements orientent peu à peu leur recherche, stratégie et financement afin d'être prêts à exploiter le potentiel de ce futur ordinateur.
Dans ce contexte, ce cours au Collège de France sur les Algorithmes quantiques tâche de répondre à une demande croissante d'information et de formation de nombreux publics. À l'aide d'explications claires et scientifiquement rigoureuses sur le sujet, il permet à un auditoire varié d'assimiler les notions et concepts des algorithmes quantiques fondamentaux jusqu'aux plus récents, afin de mieux en appréhender les applications et les limitations. Ce cours est accessible au plus grand nombre, tout en apportant une formation attendue dans le milieu académique. le public ciblé va des esprits curieux de saisir les possibilités et les limites du calcul quantique, aux acteurs des sciences informatiques au sens large : informaticiens, mathématiciens du numérique et physiciens des technologies quantiques, qu'ils soient étudiants, chercheurs, développeurs, entrepreneurs ou encore futurs utilisateurs des algorithmes quantiques.
En partant des premiers paradoxes quantiques, nous étudierons les fondements de la cryptographie et de la communication quantiques. Ensuite, nous introduirons les concepts du calcul quantique par le biais des circuits, qui nous permettront de présenter les principales méthodes algorithmiques quantiques : mise en évidence de propriétés algébriques permettant de déchiffrer les messages secrets, et optimisation ouvrant la voie à un vaste champ d'applications algorithmiques. Puis nous aborderons les limites du calcul quantique, qu'elles soient théoriques ou liées aux technologies actuelles. Enfin, nous terminerons en décrivant une partie de la recherche actuelle motivée par l'utilisation à court terme de prototypes d'ordinateurs quantiques limités, mais pouvant potentiellement trouver des applications concrètes, comme notamment en intelligence artificielle ou encore en usage décentralisé de type Internet.
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Richard Phillips Feynman
Françoise Balibar (Traducteur)Alain Laverne (Traducteur)/5 62 notes
Françoise Balibar (Traducteur)Alain Laverne (Traducteur)/5 62 notes
Résumé :
" Et maintenant, attention : tenez-vous bien, attachez vos ceintures. Non pas que ce que je vais vous dire soit particulièrement difficile à comprendre, mais tout simplement parce que ça va vous sembler le comble du ridicule. Jugez-en : nous dessinons des petites flèches sur une feuille de papier ! C'est tout. " L'électrodynamique quantique, prototype des théories de la physique moderne, devient un jeu d'enfant quand elle est expliquée par un de ses auteurs, Richard... >Voir plus
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Attention, pépite ! Avec un bagage scientifique minimaliste : des petites flèches qui s'additionnent, des chronomètres qui tournent et des trajectoires qui se superposent, Richard Feynman parvient à nous faire comprendre les principes d'un pan entier de la physique fondamentale qu'il a lui-même inventé et qui porte le fort joli nom d'électrodynamique quantique.
Une fois le formalisme accepté, nous parvenons à suivre pas à pas les arguments théoriques exposés et nous comprenons par exemple comment fonctionne la réflexion partielle de la lumière sur une plaque de verre. Les flèches représentent l'amplitude de probabilité qu'a la lumière d'être réfléchie et la vitesse des chronomètres symbolise la fréquence de la lumière, et donc sa couleur. Richard Feynman en déduit dans la foulée, par un raisonnement qui tient en trois pages, pourquoi les bulles de savon, les flaques d'eau sous les voitures qui perdent de l'huile ou les plumes de paon présentent de jolies couleurs irisées qui font la joie de tous (et des femelles paons en particulier). Puis, avec le même type de raisonnement, sans formule mathématique, il montre comment la lumière emprunte le trajet de moindre temps (en s'aidant de la fameuse métaphore du maître nageur qui doit parcourir une distance en courant sur le sable et une autre distance en nageant dans l'eau pour aller secourir une jolie fille en mauvaise posture, et pour lequel le trajet optimisé n'est bien sûr pas la ligne droite ; les maîtres nageurs étant des mathématiciens hors pair, la jolie fille s'en sort généralement), et à partir de là, il nous explique pourquoi nous observons l'été sur le bitume surchauffé de la route des vacances l'apparition de mystérieuses flaques d'eau virtuelles, tel le pauvre explorateur perdu dans le désert qui aperçoit des oasis qui ne sont bien entendu que de simples mirages.
Dans le même esprit, avec ses « petites flèches », Richard Feynman montre pourquoi la lumière se propage en ligne droite, démontre les lois de réflexion et de réfraction et détermine comment la lumière est focalisée par une lentille convergente. L'exposé se complique ensuite avec la conférence consacrée à l'interaction de la lumière sur les électrons, le principe d'absorption et d'émission de photons, pour aboutir, tiens donc, à l'émergence et l'utilisation des fameux « diagrammes de Feynman », et à la description du modèle standard et de son cortège de particules élémentaires.
Ce petit livre de vulgarisation reprend le contenu de quatre conférences données par Richard Feynman à l'université de Californie de Los Angeles (UCLA) dans les années 80, retranscrites par son ami Ralph Leighton. Richard Feynman est lauréat du prix Nobel de physique en 1965. Après avoir refermé ce livre, je vous assure pour en avoir fait l'expérience, on a le sentiment d'être plus intelligent.
Une fois le formalisme accepté, nous parvenons à suivre pas à pas les arguments théoriques exposés et nous comprenons par exemple comment fonctionne la réflexion partielle de la lumière sur une plaque de verre. Les flèches représentent l'amplitude de probabilité qu'a la lumière d'être réfléchie et la vitesse des chronomètres symbolise la fréquence de la lumière, et donc sa couleur. Richard Feynman en déduit dans la foulée, par un raisonnement qui tient en trois pages, pourquoi les bulles de savon, les flaques d'eau sous les voitures qui perdent de l'huile ou les plumes de paon présentent de jolies couleurs irisées qui font la joie de tous (et des femelles paons en particulier). Puis, avec le même type de raisonnement, sans formule mathématique, il montre comment la lumière emprunte le trajet de moindre temps (en s'aidant de la fameuse métaphore du maître nageur qui doit parcourir une distance en courant sur le sable et une autre distance en nageant dans l'eau pour aller secourir une jolie fille en mauvaise posture, et pour lequel le trajet optimisé n'est bien sûr pas la ligne droite ; les maîtres nageurs étant des mathématiciens hors pair, la jolie fille s'en sort généralement), et à partir de là, il nous explique pourquoi nous observons l'été sur le bitume surchauffé de la route des vacances l'apparition de mystérieuses flaques d'eau virtuelles, tel le pauvre explorateur perdu dans le désert qui aperçoit des oasis qui ne sont bien entendu que de simples mirages.
Dans le même esprit, avec ses « petites flèches », Richard Feynman montre pourquoi la lumière se propage en ligne droite, démontre les lois de réflexion et de réfraction et détermine comment la lumière est focalisée par une lentille convergente. L'exposé se complique ensuite avec la conférence consacrée à l'interaction de la lumière sur les électrons, le principe d'absorption et d'émission de photons, pour aboutir, tiens donc, à l'émergence et l'utilisation des fameux « diagrammes de Feynman », et à la description du modèle standard et de son cortège de particules élémentaires.
Ce petit livre de vulgarisation reprend le contenu de quatre conférences données par Richard Feynman à l'université de Californie de Los Angeles (UCLA) dans les années 80, retranscrites par son ami Ralph Leighton. Richard Feynman est lauréat du prix Nobel de physique en 1965. Après avoir refermé ce livre, je vous assure pour en avoir fait l'expérience, on a le sentiment d'être plus intelligent.
La première chose qui ravit à la lecture de ce livre concerne le ton et l'esprit, humoristique et pédagogique, de Richard Feynman. Il a le talent de décrire des phénomènes physiques d'une haute complexité avec des termes élémentaires et des images souvent saisissantes de simplicité.
Ce recueil de conférences traite tout de même de la théorie de l'électrodynamique quantique, excusez du peu. Et pourtant, même un non physicien, non spécialiste, à condition tout de même de posséder une certaine culture scientifique, arrivera à suivre lorsqu'il raconte les aventures plus que déroutantes des photons, soient corpuscules soient ondes, soient à vrai-dire ni l'un ni l'autre.
On regrettera juste les schémas souvent peu lisibles et n'apportant pas toujours la clarté espéré au texte. Mais c'est un livre à conseiller à tous ceux qui souhaitent comprendre les théories modernes sur la lumière en particulier et les ondes électromagnétiques en général, sans devoir maîtriser les équations sous-jacentes (ah… les fameuses équations de Maxwell…)
Ce recueil de conférences traite tout de même de la théorie de l'électrodynamique quantique, excusez du peu. Et pourtant, même un non physicien, non spécialiste, à condition tout de même de posséder une certaine culture scientifique, arrivera à suivre lorsqu'il raconte les aventures plus que déroutantes des photons, soient corpuscules soient ondes, soient à vrai-dire ni l'un ni l'autre.
On regrettera juste les schémas souvent peu lisibles et n'apportant pas toujours la clarté espéré au texte. Mais c'est un livre à conseiller à tous ceux qui souhaitent comprendre les théories modernes sur la lumière en particulier et les ondes électromagnétiques en général, sans devoir maîtriser les équations sous-jacentes (ah… les fameuses équations de Maxwell…)
Excellente vulgarisation de la physique quantique par un pédagogue hors-pair doublé d'un immense physicien. Une approche originale, souvent humoristique et cohérente qui vise à décrypter des mécanismes complexes tout en simplifiant leur explication.
Lien : https://tandisquemoiquatrenu..
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C'est un livre très agréable que ce court ouvrage de Feynman sur l'électrodynamique quantique, ou le comportement du photon et de l'électron sous une approche purement corpusculaire en démontrant grâce aux probabilités, l'ensemble des propriétés ondulatoires de la lumière.
Ainsi, par un discours très imagé et progressif, Feynman expose les concepts de réflexion, transmission, diffraction au fil de quelques schémas.
Pour les non initiés, vous comprendrez ainsi pourquoi les reflets d'une flaque d'huile ou la paroi d'une bulle de savon sont irisés, comment expliquer le phénomène d'interférence par un réseau et d'autres propriétés physiques élémentaires.
Attention toutefois. C'est un livre qui s'adapte très bien aux non-scientifiques qui n'auront besoin d'aucun bagage mathématique particulier pour le comprendre. Malheureusement, l'utilisation de termes informels pour désigner des concepts physiques majeurs rend la compréhension paradoxalement difficile pour ceux qui possèdent des connaissances élémentaires en physique puisque certains termes couramment utilisés sont grimés en termes plus simples par souci de vulgarisation mais jamais leur réel nom n'est prononcé. Ainsi, la désignation du module d'un nombre complexe par un chronomètre est très ingénieux mais il aurait été intéressant de brièvement resituer la propriété pour pouvoir ravir toutes les catégories de lecteurs. D'autre part, la difficulté est particulièrement inégale mais il est bien évident qu'un tel sujet ne puisse être intégralement vulgarisé.
Feynman, par son enthousiasme, son humanisme et son génie permettent au tout à chacun d'aborder les propriétés les plus bizarres, les moins intuitives et les plus belles de notre Univers.
Ainsi, par un discours très imagé et progressif, Feynman expose les concepts de réflexion, transmission, diffraction au fil de quelques schémas.
Pour les non initiés, vous comprendrez ainsi pourquoi les reflets d'une flaque d'huile ou la paroi d'une bulle de savon sont irisés, comment expliquer le phénomène d'interférence par un réseau et d'autres propriétés physiques élémentaires.
Attention toutefois. C'est un livre qui s'adapte très bien aux non-scientifiques qui n'auront besoin d'aucun bagage mathématique particulier pour le comprendre. Malheureusement, l'utilisation de termes informels pour désigner des concepts physiques majeurs rend la compréhension paradoxalement difficile pour ceux qui possèdent des connaissances élémentaires en physique puisque certains termes couramment utilisés sont grimés en termes plus simples par souci de vulgarisation mais jamais leur réel nom n'est prononcé. Ainsi, la désignation du module d'un nombre complexe par un chronomètre est très ingénieux mais il aurait été intéressant de brièvement resituer la propriété pour pouvoir ravir toutes les catégories de lecteurs. D'autre part, la difficulté est particulièrement inégale mais il est bien évident qu'un tel sujet ne puisse être intégralement vulgarisé.
Feynman, par son enthousiasme, son humanisme et son génie permettent au tout à chacun d'aborder les propriétés les plus bizarres, les moins intuitives et les plus belles de notre Univers.
Il s'agit de la transcription de quatre conférences données sur le sujet de l'électrodynamique quantique (et très rapidement pour la dernière conférence sur la chromodynamique quantique).
La première et la seconde conférences traitent de la lumière, des photons et de leur propagation (diffusion) dans un milieu. Jusque là aucun problème même s'il faut s'armer d'un peu de volonté et d'abstraction.
La troisième conférence place la barre un peu plus haute et là il faut rapidement se munir d'une feuille et d'un stylo sans oublier la maitrise du vocabulaire utilisé.
Si le chapitre précédent s'est trouvé être une promenade de santé pour vous, vous n'aurez aucun mal à suivre le dernier qui nous amène encore un peu plus loin dans les profondeurs de la mécanique quantique et ses nombreuses particules toutes aussi étranges les une que les autres mais pour lesquelles les règles de l'électrodynamique quantique semblent fonctionner à merveille. Une plongée dans un monde étrange et invisible mais bien réel !
Une fois qu'on a lu la retranscription de ses conférences il est impossible de voir à nouveau le monde qui nous entoure de la même façon.
La première et la seconde conférences traitent de la lumière, des photons et de leur propagation (diffusion) dans un milieu. Jusque là aucun problème même s'il faut s'armer d'un peu de volonté et d'abstraction.
La troisième conférence place la barre un peu plus haute et là il faut rapidement se munir d'une feuille et d'un stylo sans oublier la maitrise du vocabulaire utilisé.
Si le chapitre précédent s'est trouvé être une promenade de santé pour vous, vous n'aurez aucun mal à suivre le dernier qui nous amène encore un peu plus loin dans les profondeurs de la mécanique quantique et ses nombreuses particules toutes aussi étranges les une que les autres mais pour lesquelles les règles de l'électrodynamique quantique semblent fonctionner à merveille. Une plongée dans un monde étrange et invisible mais bien réel !
Une fois qu'on a lu la retranscription de ses conférences il est impossible de voir à nouveau le monde qui nous entoure de la même façon.
Citations et extraits (10)
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La théorie de l'électrodynamique quantique a maintenant plus de cinquante ans et a été vérifiée de façon de plus en plus précise, dans les conditions expérimentales les plus diverses. Aujourd'hui, je peux vous affirmer avec fierté qu'il n'y a pas d'écart significatif entre la théorie et l'expérience !
Pour vous donner une idée de la précision de ces vérifications expérimentales, je me contenterai de vous citer quelques résultats numériques récents. Les mesures du moment magnétique de l'électron donne une valeur de 1,001 159 652 21 (avec une indétermination de 4 sur le dernier chiffre) ; la théorie prédit une valeur de 1,001 159 652 46 (avec une incertitude d'environ cinq fois plus grande). Afin que vous vous rendiez bien compte du type de précision que cela implique, je ferai la comparaison suivante : cette précision est du même ordre de grandeur que celle qu'on obtiendrait en mesurant la distance Los Angeles-New York à l'épaisseur d'un cheveu près ; ceci pour vous donner un idée du degré de raffinement auquel on est parvenu au cours des cinquante dernières années, à la fois expérimentalement et théoriquement.
Pour vous donner une idée de la précision de ces vérifications expérimentales, je me contenterai de vous citer quelques résultats numériques récents. Les mesures du moment magnétique de l'électron donne une valeur de 1,001 159 652 21 (avec une indétermination de 4 sur le dernier chiffre) ; la théorie prédit une valeur de 1,001 159 652 46 (avec une incertitude d'environ cinq fois plus grande). Afin que vous vous rendiez bien compte du type de précision que cela implique, je ferai la comparaison suivante : cette précision est du même ordre de grandeur que celle qu'on obtiendrait en mesurant la distance Los Angeles-New York à l'épaisseur d'un cheveu près ; ceci pour vous donner un idée du degré de raffinement auquel on est parvenu au cours des cinquante dernières années, à la fois expérimentalement et théoriquement.
Ce phénomène (les couleurs produites par réflexion partielle de la lumière blanche sur deux surfaces) est appelé irisation et on le rencontre assez fréquemment. Peut-être vous êtes-vous déjà demandé d'où vient que le plumage des oiseaux-mouches et des paons soit si coloré ? Vous en avez maintenant l'explication. Il est, par ailleurs, intéressant de savoir que ces magnifiques couleurs sont l'aboutissement du processus d'évolution. Lorsque nous admirons aujourd'hui les couleurs des paons, il nous faut rendre hommage à toutes ces générations de femelles au plumage terne qui ont su montrer tant de discernement dans le choix de leurs partenaires. (L'homme n'a fait, plus tard, qu'améliorer le processus de sélection des paons.)
Ce que je vais vous raconter n'est autre que ce que nous enseignons aux étudiants qui sont en train de préparer une thèse de physique. Croyez-vous vraiment que je puisse vous expliquer tout cela de manière que vous le compreniez ? Non, ce n'est pas sérieux: vous n'allez certainement pas comprendre. Mais alors, direz-vous, pourquoi vous donnez-vous tant de mal ? Pourquoi passez tant de temps devant nous, si c'est pour que nous ne comprenions rien à ce que vous allez dire ?
Précisément, je me suis fixé comme objectif que vous restiez ici à m'écouter. Car pour ne rien vous cacher, les étudiants non plus n'y comprennent rien. Pourquoi ? Tout simplement parce que je n'y comprends rien moi-même. Personne d'ailleurs n'y comprend rien.
Précisément, je me suis fixé comme objectif que vous restiez ici à m'écouter. Car pour ne rien vous cacher, les étudiants non plus n'y comprennent rien. Pourquoi ? Tout simplement parce que je n'y comprends rien moi-même. Personne d'ailleurs n'y comprend rien.
Ce dont je vais vous parler maintenant est bien connu. On me demande toujours de parler des derniers développements des tentatives de grande unification, on ne me donne jamais l'occasion de parler des choses que je connais bien. Les gens veulent toujours apprendre de moi des choses que je ne connais pas moi-même. Je ne vais donc pas chercher à vous en mettre plein la vue avec des théories qui sont encore en train de mijoter, qui ne sont que partiellement analysées. Je préfère vous parler aujourd'hui d'un domaine qui a été parfaitement bien analysé. Il s'agit de cette partie de la physique qui ne cesse de provoquer mon émerveillement et qui porte le nom d'électrodynamique quantique.
Nous autres physiciens sommes toujours à l'affût de ce qui, dans une théorie, pourrait ne pas aller. C'est la règle du jeu : ce qui est intéressant, c'est ce qui dans une théorie ne marche pas bien. Pour ce qui est de l'electro-dynamique quantique, nous n'avons rien trouvé qui cloche. L'electro-dynamique quantique est en quelque sorte la perle de la physique, ce dont nous sommes le plus fiers.
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