Les ordinateurs quantiques sont utilisés pour révéler des paires cachées dans les matériaux, simuler des ions, analyser des structures virales, assister les études de protéines et mesurer plus rapidement les états quantiques.Les ordinateurs quantiques trouvent des applications concrètes dans des domaines aussi variés que la science des matériaux, la biologie et la médecine. En science des matériaux, ils peuvent révéler des corrélations cachées dans les matériaux, invisibles pour les simulations classiques, comme l'appariement des électrons dans les supraconducteurs. En biologie, ils aident à décoder la structure des virus, contribuent aux études de repliement des protéines et analysent même les signatures thermiques dans la détection du cancer du sein. Les ordinateurs quantiques excellent également dans la mesure efficace des états quantiques, grâce à des techniques comme la tomographie par ombres, qui extrait l'information d'un système quantique avec beaucoup moins de mesures que les méthodes classiques. Ces applications n'en sont qu'à leurs débuts, mais elles montrent le potentiel de l'informatique quantique pour résoudre des problèmes insolubles pour les machines classiques.
L'idée d'utiliser les ordinateurs quantiques pour des applications pratiques remonte à la proposition de Feynman en 1982 de simuler des systèmes quantiques avec du matériel quantique. Cependant, les premières démonstrations expérimentales de ces applications n'ont eu lieu qu'à la fin des années 2010 et au début des années 2020, lorsque le matériel est devenu suffisamment performant pour exécuter des instances petites mais significatives.
Le mécanisme sous-jacent varie selon l'application. Pour les matériaux, les ordinateurs quantiques simulent le comportement mécanique quantique des électrons, ce qui est exponentiellement difficile pour les ordinateurs classiques. Pour les structures virales, les algorithmes quantiques peuvent résoudre les problèmes d'optimisation impliqués dans la reconstruction de structures 3D à partir de données de cryo-microscopie électronique. Pour les études de protéines, les ordinateurs quantiques peuvent modéliser les effets quantiques dans les sites actifs des enzymes, que les champs de force classiques négligent. En matière de mesure, la tomographie par ombres utilise des mesures aléatoires pour reconstruire un état quantique avec un petit nombre d'échantillons, et les ordinateurs quantiques peuvent implémenter ce protocole de manière native.
Les ordinateurs quantiques sont actuellement utilisés dans les laboratoires de recherche pour simuler des propriétés moléculaires en vue de la découverte de médicaments, analyser des matériaux pour de meilleures batteries et développer des techniques d'imagerie médicale plus sensibles. Des entreprises comme IBM, Google et des start-ups collaborent avec des sociétés pharmaceutiques et de matériaux pour explorer ces applications.
Les ordinateurs quantiques peuvent détecter les « ombres quantiques » des états — une technique qui permet de mesurer les propriétés d'un système quantique avec un nombre exponentiellement réduit d'échantillons par rapport à la tomographie classique, rendant possible la vérification pratique des calculs quantiques.
