Qu’est-ce que la superposition ?

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Avant d’explorer la superposition dans le contexte des qubits et des états quantiques, commençons par un exemple pour vous aider à comprendre le fonctionnement de la superposition.

Dans cette unité, vous allez apprendre à décrire l’état quantique d’un système constitué d’un chat et d’une boîte.

Comment décrire l’état quantique d’un système ?

Imaginez que vous avez un chat et une boîte, et que vous souhaitez décrire les configurations possibles du système cat-and-box. Par exemple, le chat à l’intérieur de la boîte, le chat à côté de la boîte, et ainsi de suite.

Supposons qu’il existe six configurations possibles :

  • Le chat au-dessus de la boîte
  • Le chat à l’intérieur de la boîte
  • Le chat sous la boîte
  • Le chat à côté de la boîte
  • Le chat devant la boîte
  • Le chat derrière la boîte

D’autres configurations, comme la boîte à l’intérieur du chat, ne sont pas physiquement possibles. Nous ne prenons donc pas en compte ces configurations.

Ces six configurations sont les états distincts possibles dans lesquels nous pouvons trouver le système chat-et-boîte. Mais parce qu’il s’agit d’un système quantique chat-et-boîte, nous ne pouvons pas prédire précisément lequel des six états le système prendra quand nous regardons. Comment décrirons-nous l’état de ce système avant de l’examiner ?

Eh bien, nous décrivons le système comme une superposition des six états possibles en même temps. En termes mathématiques, l’état de superposition est une somme, ou une combinaison linéaire, des six états distincts. C’est un peu idiot, mais voici à quoi ressemble une superposition de notre système chat-et-boîte :

Diagramme d’un chat et d’une boîte et représentation de six positions différentes du chat par rapport à la boîte.

Mais attendez - il y a plus ! Les états quantiques sont probabilistes, il y a donc une certaine probabilité que le système cat-and-box soit trouvé dans chacun des six états possibles. Et soyons honnêtes il y a une plus grande probabilité que le chat se trouve à l’intérieur de la boîte que dans l’un des cinq autres états. Chaque état est pondéré par sa probabilité de se produire, de sorte que notre état de superposition ressemble à ceci :

Diagramme d’un état de superposition du système, qui correspond à la somme des six positions différentes du chat par rapport à la boîte, pondérée par la probabilité de trouver le chat dans chaque position.

Notez que la somme des probabilités est de 100% pour les six états. Cela est logique, car nous trouvons toujours le système dans l’un des états possibles lorsque nous observons le système. Dans la vraie vie, les chats et les boîtes sont des objets classiques, pas des objets quantiques, donc notre exemple est un peu idiot. Mais les objets quantiques, tels que les photons, les électrons, les atomes et les molécules, se comportent vraiment de cette manière probabiliste dans la vie réelle.

Dans le monde quantique, nous décrivons l’état d’un système comme une combinaison de tous les états dans lesquels nous pouvons trouver le système. Il s’agit du phénomène appelé superposition.

Dans l’unité suivante, vous découvrez la superposition dans le contexte d’un système quantique réel et le rôle que joue la superposition dans l’informatique quantique.