QCM : Intrication quantique et cryptographie (56 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Un système macroscopique a une action caractéristique très grande par rapport à la constante de Planck. Quel cadre décrit généralement le mieux son comportement ?

La mécanique quantique, car l’action est grande
La mécanique quantique, car tout système est microscopique
La physique classique, comme approximation efficace
La physique classique, car l’action est comparable à h

La physique classique, comme approximation efficace

Explication

Quand l’action caractéristique est très supérieure à h, les effets quantiques sont généralement peu importants et la physique classique constitue une bonne approximation macroscopique. L’échelle microscopique est confondue avec la macroscopique dans « mécanique quantique, car l’action est grande »; l’idée que l’action grande invalide le classique est erronée; « comparable à h » inverse la condition pertinente.

2. Dans une expérience de diffraction, quelle comparaison entre une balle de tennis et un électron est attendue dans des conditions ordinaires ?

La balle a une longueur d’onde trop petite pour une diffraction observable, tandis que celle de l’électron peut être comparable à l’espacement atomique
La longueur d’onde de l’électron dépasse fortement l’espacement atomique, contrairement à celle de la balle
La balle a une longueur d’onde comparable à l’espacement atomique, tandis que celle de l’électron est trop petite pour diffracter
Les deux longueurs d’onde sont trop petites pour produire une diffraction observable

La balle a une longueur d’onde trop petite pour une diffraction observable, tandis que celle de l’électron peut être comparable à l’espacement atomique

Explication

La longueur d’onde de de Broglie d’une balle est trop petite pour que sa diffraction soit observable dans les conditions ordinaires, alors que celle d’un électron peut être comparable à l’espacement atomique d’un cristal. L’inversion des échelles est erronée; une longueur d’onde faible ne rend pas la diffraction plus facile à observer; l’électron n’est pas décrit ici comme ayant une longueur d’onde dépassant fortement l’espacement atomique.

3. En étudiant le spectre d’un corps noir à des longueurs d’onde de plus en plus petites, quelle difficulté la loi de Rayleigh–Jeans prédit-elle ?

Une divergence de l’énergie aux grandes longueurs d’onde
Une divergence de l’énergie prédite par la loi de Planck
Une énergie qui tend vers zéro, appelée catastrophe ultraviolette
Une divergence de l’énergie, appelée catastrophe ultraviolette

Une divergence de l’énergie, appelée catastrophe ultraviolette

Explication

La loi de Rayleigh–Jeans décrit correctement les grandes longueurs d’onde, mais prédit une divergence lorsque λ→0\lambda\to 0, appelée catastrophe ultraviolette. La divergence aux grandes longueurs d’onde déplace le domaine concerné; une énergie tendant vers zéro ne correspond pas à la catastrophe; la divergence est attribuée à Rayleigh–Jeans, et non à la loi de Planck.

4. Pour un oscillateur atomique de fréquence ν\nu, quel modèle énergétique correspond à l’hypothèse proposée par Planck en 1900 ?

Des valeurs discrètes E=nkBνE=nk_B\nu, avec n∈Nn\in\mathbb{N}
Toute valeur continue de l’énergie, sans niveaux quantifiés
Des valeurs discrètes E=nhE=nh, avec n∈Nn\in\mathbb{N}
Des valeurs discrètes E=nhνE=nh\nu, avec n∈Nn\in\mathbb{N}

Des valeurs discrètes $$E=nh\nu$$, avec $$n\in\mathbb{N}$$

Explication

Planck propose en 1900 que l’énergie des oscillateurs atomiques soit quantifiée selon E=nhνE=nh\nu, où n∈Nn\in\mathbb{N}. Le modèle continu nie cette quantification, l’expression nhnh omet la fréquence, et kBk_B remplace à tort la constante de Planck.

5. À température fixée, pourquoi les modes de très haute fréquence sont-ils plus difficiles à exciter dans le modèle de Planck ?

Le paquet minimal garde une énergie identique quelle que soit la fréquence
Le paquet minimal ΔE=hν\Delta E=h\nu diminue quand la fréquence augmente
Le paquet minimal devient moins énergétique quand la fréquence augmente
Le paquet minimal ΔE=hν\Delta E=h\nu devient plus énergétique quand la fréquence augmente

Le paquet minimal $$\Delta E=h\nu$$ devient plus énergétique quand la fréquence augmente

Explication

Dans l’hypothèse de Planck, les échanges se font par paquets d’énergie ΔE=hν\Delta E=h\nu; à fréquence plus élevée, le paquet minimal est plus énergétique et les modes sont donc plus difficiles à exciter à température fixée. Dire que le paquet diminue ou devient moins énergétique inverse la relation, tandis que prétendre qu’il est indépendant de la fréquence ignore le facteur ν\nu.

6. Une surface métallique est éclairée par une lumière dont la fréquence est inférieure à sa fréquence seuil. Que se passe-t-il si l’intensité lumineuse est fortement augmentée ?

Des électrons sont émis après une accumulation progressive d’énergie lumineuse
Aucun électron n’est émis, car chaque photon reste sous le seuil requis
Des électrons sont émis en plus grand nombre grâce à l’intensité accrue
Des électrons sont émis si l’intensité dépasse une valeur seuil propre au métal

Aucun électron n’est émis, car chaque photon reste sous le seuil requis

Explication

Sous la fréquence seuil, l’énergie de chaque photon est insuffisante pour éjecter un électron, quelle que soit l’intensité. L’idée d’une émission accrue confond intensité et énergie par photon, l’accumulation progressive relève d’une prédiction classique contredite par l’observation, et une intensité seuil ne remplace pas la fréquence seuil.

7. Quelle proposition correspond à l’hypothèse formulée par Einstein en 1905 pour expliquer l’effet photoélectrique ?

La lumière est constituée de photons d’énergie proportionnelle à son intensité
La lumière est constituée de photons d’énergie Ephoton=hνE_{\text{photon}}=h\nu
La lumière est associée à une longueur d’onde fixée par λ=h/p\lambda=h/p
La lumière transfère son énergie de manière continue, sans quanta individuels

La lumière est constituée de photons d’énergie $$E_{\text{photon}}=h\nu$$

Explication

Einstein propose en 1905 que la lumière est constituée de photons, chacun ayant une énergie Ephoton=hνE_{\text{photon}}=h\nu. L’intensité concerne le flux de photons, l’énergie continue correspond à une description classique, et la relation avec pp est la prédiction de de Broglie.

8. Dans le modèle élémentaire, un métal a un travail de sortie de 2,5 eV2{,}5\,\text{eV} et reçoit des photons de 2,1 eV2{,}1\,\text{eV}. Quelle conclusion s’applique ?

Des électrons sont éjectés, car le travail de sortie est supérieur à l’énergie du photon
Des électrons sont éjectés si le nombre de photons reçus par seconde est assez grand
Aucun électron n’est éjecté, car l’énergie du photon est inférieure au travail de sortie
Des électrons sont éjectés avec une énergie cinétique égale à la différence des deux valeurs

Aucun électron n’est éjecté, car l’énergie du photon est inférieure au travail de sortie

Explication

L’émission exige que hν>ϕh\nu>\phi; ici, 2,1 eV<2,5 eV2{,}1\,\text{eV}<2{,}5\,\text{eV}, donc aucun électron n’est éjecté dans ce modèle. Inverser l’inégalité rend la condition fausse, l’intensité ne relève pas l’énergie individuelle des photons, et la différence d’énergie ne décrit une énergie cinétique que si l’émission a lieu.

9. Dans une expérience photoélectrique, la fréquence est maintenue constante au-dessus du seuil tandis que l’intensité est augmentée. Quelle interprétation distingue correctement les deux grandeurs ?

L’énergie de chaque photon reste fixe et le travail de sortie du métal augmente
L’énergie de chaque photon augmente et le nombre de photons reçus par unité de temps et de surface reste fixe
Le travail de sortie reste fixe et la fréquence des photons augmente
L’énergie de chaque photon reste fixe et le nombre de photons reçus par unité de temps et de surface augmente

L’énergie de chaque photon reste fixe et le nombre de photons reçus par unité de temps et de surface augmente

Explication

La fréquence détermine l’énergie de chaque photon, tandis que l’intensité est liée au nombre de photons reçus par unité de temps et de surface. L’énergie de chaque photon ne suit donc pas l’intensité, le flux ne suit pas la fréquence dans cette situation, et ni le travail de sortie ni la fréquence ne sont modifiés.

10. Quel résultat Stern et Gerlach observent-ils en 1922 lorsqu’un faisceau d’atomes d’argent traverse un champ magnétique non uniforme ?

Le faisceau se sépare en deux taches distinctes
Le faisceau produit une figure de diffraction sur un cristal de nickel
Le faisceau forme une bande continue de positions sur l’écran
Le faisceau traverse le champ sans déviation mesurable

Le faisceau se sépare en deux taches distinctes

Explication

Stern et Gerlach observent la séparation du faisceau d’atomes d’argent en deux taches distinctes, révélant une quantification. Une bande continue correspond à l’attente classique, la diffraction sur nickel relève de Davisson et Germer, et le faisceau est dévié dans le dispositif.

11. Un appareil mesure la composante du spin d’une particule de spin 1/21/2 suivant un axe donné. Quelles valeurs peut-il obtenir ?

Toute valeur comprise entre −ℏ/2-\hbar/2 et +ℏ/2+\hbar/2
+ℏ+\hbar ou −ℏ-\hbar
00 ou ℏ/2\hbar/2
+ℏ/2+\hbar/2 ou −ℏ/2-\hbar/2

$$+\hbar/2$$ ou $$-\hbar/2$$

Explication

Pour une particule de spin 1/21/2, la projection suivant l’axe de mesure prend les valeurs +ℏ/2+\hbar/2 et −ℏ/2-\hbar/2. Une projection continue reprend l’idée classique, ±ℏ\pm\hbar double les valeurs permises, et zéro n’est pas l’une des deux valeurs indiquées.

12. Une équipe fait tourner l’aimant d’un dispositif de Stern–Gerlach et interprète chaque mesure comme donnant simultanément toutes les orientations du moment magnétique. Quelle correction décrit ce que mesure réellement l’appareil ?

Il mesure l’énergie cinétique des atomes selon la direction du faisceau
Il mesure simultanément toutes les orientations possibles du moment magnétique
Il mesure la projection du moment magnétique suivant l’axe défini par le champ
Il mesure le spin sans référence à l’axe défini par le champ

Il mesure la projection du moment magnétique suivant l’axe défini par le champ

Explication

Le dispositif mesure la projection du moment magnétique suivant l’axe défini par le champ, et non toutes les orientations simultanément. La mesure simultanée est précisément la confusion à éviter; une projection dépend de l’axe, et l’énergie cinétique n’est pas la grandeur mesurée dans cette expérience.

13. Quelle relation Louis de Broglie prédit-il en 1924 entre la quantité de mouvement pp d’une particule et sa longueur d’onde associée ?

λ=h/p\lambda=h/p
λ=hp\lambda=hp
λ=p/h\lambda=p/h
λ=hν\lambda=h\nu

$$\lambda=h/p$$

Explication

De Broglie prédit en 1924 qu’à une particule de quantité de mouvement pp est associée une longueur d’onde λ=h/p\lambda=h/p. Le rapport inversé et le produit hphp ne respectent pas cette relation, tandis que hνh\nu désigne l’énergie d’un photon.

14. Deux modèles décrivent un système dont l’état initial est parfaitement connu. Quelle différence de prédiction distingue le modèle classique du modèle quantique ?

Le modèle classique donne des probabilités de mesure, tandis que le modèle quantique prédit un état futur certain.
Les deux modèles donnent seulement des probabilités de mesure lorsque l’état initial est connu.
Le modèle classique prédit un état futur certain, tandis que le modèle quantique donne des probabilités de mesure.
Les deux modèles prédisent un état futur certain lorsque l’état initial est connu.

Le modèle classique prédit un état futur certain, tandis que le modèle quantique donne des probabilités de mesure.

Explication

En mécanique classique, un état initial connu permet en principe de prédire avec certitude l’état futur, alors qu’en mécanique quantique les résultats de mesure sont prédits en termes de probabilités. Attribuer les probabilités au modèle classique confond les prédictions, les trajectoires définies relèvent de la description classique, et rendre les deux modèles certains ou probabilistes efface leur distinction.

15. En étudiant les niveaux d’énergie d’un atome, une chercheuse observe des valeurs séparées plutôt qu’une gamme continue. Quelle interprétation convient à cette observation ?

L’énergie de l’atome varie continûment comme en physique classique.
L’énergie de l’atome est quantifiée en valeurs discrètes.
Les valeurs séparées indiquent que l’énergie ne peut pas être mesurée.
Toutes les grandeurs macroscopiques prennent nécessairement des valeurs discrètes.

L’énergie de l’atome est quantifiée en valeurs discrètes.

Explication

Certaines grandeurs quantiques, notamment l’énergie, ne prennent que des valeurs discrètes, comme les niveaux d’énergie atomiques. La continuité est l’hypothèse classique, la quantification de certaines grandeurs ne s’étend pas à toutes les grandeurs classiques, et la discrétisation n’empêche pas la mesure.

16. Lors d’une expérience, des photons éjectent des électrons d’un matériau, tandis qu’un faisceau d’électrons produit une figure de diffraction. Quelle conclusion illustre ces deux observations ?

Les photons ont un comportement ondulatoire et les électrons un comportement corpusculaire.
Les photons et les électrons ont tous deux un comportement ondulatoire.
Les photons ont un comportement corpusculaire et les électrons un comportement ondulatoire.
Les photons et les électrons ont tous deux un comportement corpusculaire.

Les photons ont un comportement corpusculaire et les électrons un comportement ondulatoire.

Explication

La dualité onde-particule se manifeste ici par le comportement corpusculaire des photons dans l’effet photoélectrique et le comportement ondulatoire des électrons dans la diffraction. L’attribution inverse échange les exemples, tandis que réduire les deux observations au même comportement nie la dualité illustrée.

17. Un physicien mesure l’état d’un système quantique et obtient l’un des résultats possibles. Que devient alors l’état du système observé ?

Il est remplacé par une valeur arbitraire extérieure aux résultats possibles.
Il est modifié et évolue vers l’un des résultats possibles.
Il demeure inchangé et la mesure révèle simplement sa valeur préexistante.
Il reste dans une superposition intacte, quel que soit le résultat mesuré.

Il est modifié et évolue vers l’un des résultats possibles.

Explication

En mécanique quantique, la mesure modifie l’état du système, qui évolue vers l’un des résultats possibles. L’idée d’un état inchangé reprend l’hypothèse classique, et les deux autres interprétations écartent à tort le lien entre la mesure et les résultats possibles.

18. Une équipe compare deux méthodes de sécurisation : l’une tire sa sécurité de lois physiques, l’autre de la difficulté de résoudre certains problèmes mathématiques. Quelle méthode relève de la cryptographie quantique ?

La méthode dont la sécurité repose sur la difficulté de problèmes mathématiques.
La méthode dont la sécurité repose sur l’anonymat des utilisateurs.
La méthode dont la sécurité repose sur la longueur du message transmis.
La méthode dont la sécurité repose sur des lois physiques.

La méthode dont la sécurité repose sur des lois physiques.

Explication

La cryptographie quantique fonde sa sécurité sur des lois physiques, tandis que la cryptographie classique repose sur la difficulté de problèmes mathématiques. Attribuer la complexité mathématique au quantique inverse les fondements, et la longueur des messages ou l’anonymat ne constituent pas la distinction donnée.

19. Deux utilisateurs mettent en œuvre un protocole de distribution quantique de clés avant d’échanger un message chiffré. Quel est l’objectif direct de ce protocole ?

Transmettre le message en clair par un canal quantique.
Établir une clé commune entre les deux utilisateurs.
Chiffrer directement le message échangé entre les utilisateurs.
Vérifier l’identité des utilisateurs sans établir de clé.

Établir une clé commune entre les deux utilisateurs.

Explication

La distribution quantique de clés vise à permettre à deux utilisateurs d’établir une clé commune ; elle ne chiffre pas directement le message. L’option du chiffrement confond la distribution de la clé avec son emploi, tandis que transmettre un message en clair ou vérifier une identité ne décrit pas l’objectif indiqué.

20. Après l’interception d’une communication quantique par un tiers, les utilisateurs constatent une hausse du taux d’erreurs. Quel mécanisme explique ce signe détectable ?

La mesure du tiers modifie l’état quantique et laisse une trace dans les erreurs.
L’interception conserve l’état intact et ne peut produire de trace mesurable.
La hausse des erreurs vient nécessairement du bruit ordinaire du canal.
La mesure du tiers amplifie le signal sans modifier l’état quantique.

La mesure du tiers modifie l’état quantique et laisse une trace dans les erreurs.

Explication

Toute mesure quantique modifie l’état observé ; l’interception peut donc être détectée par une augmentation du taux d’erreurs. L’amplification sans perturbation ne décrit pas ce mécanisme, le bruit ordinaire n’explique pas spécifiquement la trace d’interception, et un état préservé intact contredit l’effet de la mesure.

21. Un adversaire tente de dupliquer parfaitement un état quantique inconnu afin de conserver une copie d’une clé. Quelle conséquence découle du théorème de non-clonage ?

Il peut produire une copie parfaite dès lors qu’il conserve l’original intact.
Il ne peut pas produire une copie parfaite de l’état inconnu sans risque de détection.
Il peut produire une copie approximative qui garantit une duplication sans risque.
Il ne peut ni copier ni transmettre l’état quantique à un autre utilisateur.

Il ne peut pas produire une copie parfaite de l’état inconnu sans risque de détection.

Explication

Le théorème de non-clonage interdit la copie parfaite d’un état quantique inconnu, ce qui empêche de dupliquer une clé sans risque de détection. Une copie approximative n’est pas une copie parfaite, la conservation de l’original ne lève pas l’interdiction, et le théorème n’interdit pas la transmission de l’état.

22. Lors d’une distribution de clé, un espion mesure des photons polarisés puis les retransmet. Quel mécanisme du protocole BB84 permet de repérer son intervention ?

La mesure perturbe les photons et révèle l’espion par des erreurs détectables
L’imprévisibilité des mesures produit une suite aléatoire vérifiable
Des algorithmes classiques bloquent les attaques d’ordinateurs quantiques
L’intrication modifie les corrélations observées entre les photons

La mesure perturbe les photons et révèle l’espion par des erreurs détectables

Explication

BB84 exploite la polarisation des photons et la perturbation causée par une mesure pour détecter un espion. La modification des corrélations relève d’E91, l’imprévisibilité concerne les générateurs aléatoires et les algorithmes classiques caractérisent la cryptographie post-quantique.

23. Une entreprise choisit des algorithmes classiques conçus pour résister aux attaques d’ordinateurs quantiques et les déploie sur ses ordinateurs habituels. De quel domaine relève cette approche ?

De la génération quantique aléatoire, fondée sur la mesure de qubits
De la distribution quantique de clés, fondée sur des photons polarisés
De la cryptographie post-quantique, fondée sur des algorithmes classiques
De la cryptographie quantique, fondée sur des systèmes quantiques

De la cryptographie post-quantique, fondée sur des algorithmes classiques

Explication

La cryptographie post-quantique repose sur des algorithmes classiques conçus pour résister aux attaques quantiques et s’exécute sur des réseaux et ordinateurs classiques. La cryptographie quantique mobilise des systèmes quantiques, tandis que les photons polarisés et les mesures aléatoires renvoient à des tâches particulières.

24. Un espion observe un qubit préparé dans une superposition pendant un échange sécurisé. Que provoque cette observation dans le qubit ?

Elle change les corrélations entre deux qubits sans projeter celui qui est observé
Elle en crée une copie identique sans modifier l’état transmis
Elle le laisse dans sa superposition et préserve l’état initial
Elle le projette sur l’un des deux résultats et introduit des erreurs détectables

Elle le projette sur l’un des deux résultats et introduit des erreurs détectables

Explication

L’observation d’un qubit par un espion le projette sur l’un des deux résultats possibles et introduit des erreurs détectables. La conservation de la superposition et la copie sans perturbation méconnaissent cet effet, tandis que la modification des corrélations concerne des qubits intriqués.

25. Pour transmettre une clé, Alice prépare des qubits dans différents états de la sphère de Bloch. Pourquoi cette préparation contribue-t-elle à la sécurité du protocole ?

Un observateur non autorisé ne peut pas prédire une suite aléatoire issue des mesures
Un observateur non autorisé peut mesurer le qubit sans modifier son état
Un observateur non autorisé est empêché de mesurer par un algorithme classique
Un observateur non autorisé ne peut pas mesurer un qubit sans perturber son état

Un observateur non autorisé ne peut pas mesurer un qubit sans perturber son état

Explication

La sécurité repose sur l’impossibilité de mesurer un qubit préparé sur la sphère de Bloch sans perturber son état. Une mesure sans perturbation contredit ce principe; l’algorithme classique et la prédiction de suites aléatoires décrivent d’autres aspects de la cryptographie.

26. Pour transmettre une clé quantique à distance, quelle comparaison entre les supports de qubits est la plus juste ?

Les atomes conviennent à la transmission, tandis que les photons servent surtout de modèles ou de mémoires.
Les photons conviennent à la transmission, tandis que les spins et les atomes servent surtout de modèles ou de mémoires.
Les photons et les spins servent surtout de mémoires, tandis que les atomes conviennent à la transmission.
Les spins conviennent à la transmission, tandis que les photons servent surtout de modèles ou de mémoires.

Les photons conviennent à la transmission, tandis que les spins et les atomes servent surtout de modèles ou de mémoires.

Explication

Les photons sont adaptés à la transmission, alors que les spins et les atomes servent surtout de modèles conceptuels ou de mémoires. Attribuer la transmission aux spins ou aux atomes inverse ces rôles, et présenter les photons comme des mémoires méconnaît leur usage privilégié.

27. Un dispositif code le qubit |0〉 avec une polarisation horizontale H et le qubit |1〉 avec une polarisation verticale V. Comment interpréter un photon polarisé à 45° ?

Comme une superposition des polarisations H et V.
Comme une polarisation horizontale H seule.
Comme un photon dépourvu d’état de polarisation défini.
Comme une polarisation verticale V seule.

Comme une superposition des polarisations H et V.

Explication

Une polarisation à 45° correspond à une superposition des polarisations horizontale et verticale. L’assimiler à H ou V en fait à tort un état de base, et l’interpréter comme une absence de polarisation confond superposition et état non défini.

28. Alice prépare des photons afin de coder les bits quantiques d’une clé secrète dans BB84. Quelle propriété des photons exploite-t-elle ?

Leurs états de polarisation mémorisent les bits quantiques de la clé.
Le spin des électrons code les bits quantiques de la clé.
Leurs états de polarisation codent les bits quantiques de la clé.
Les photons transportent des bits classiques sans codage quantique.

Leurs états de polarisation codent les bits quantiques de la clé.

Explication

Dans BB84, les états de polarisation des photons servent à coder les bits quantiques d’une clé secrète. La mémorisation n’est pas le rôle décrit ici, et le codage par spin ou le transport de bits classiques ne correspond pas à ce mécanisme.

29. Après une opération unitaire, un qubit reste un état valide. Quelle propriété de l’opération explique que la probabilité totale demeure égale à 1 ?

Elle conserve la norme de l’état quantique.
Elle conserve chaque amplitude de l’état quantique.
Elle modifie la probabilité totale pour produire un nouvel état.
Elle sélectionne un résultat de mesure et élimine les autres.

Elle conserve la norme de l’état quantique.

Explication

Une opération unitaire conserve la norme de l’état, ce qui maintient la probabilité totale égale à 1. Conserver chaque amplitude confond norme et composantes individuelles, tandis qu’une sélection de résultat relève d’une mesure et qu’une probabilité totale modifiée ne respecterait pas la règle.

30. Un qubit dans l’état |0〉 doit être amené à |1〉 par une porte correspondant à une rotation de 180° autour de l’axe X. Quelle porte faut-il appliquer ?

La porte Hadamard.
La porte X.
La porte Z.
La porte Y.

La porte X.

Explication

La porte X échange |0〉 et |1〉 et correspond à une rotation de 180° autour de l’axe X. La porte Z laisse |0〉 inchangé et change le signe de |1〉, Hadamard crée des superpositions équilibrées, et Y échange les états avec une phase imaginaire.

31. Une porte doit laisser |0〉 inchangé et transformer |1〉 en −|1〉. Quelle porte réalise cette transformation ?

La porte Y.
La porte Hadamard.
La porte Z.
La porte X.

La porte Z.

Explication

La porte Z laisse |0〉 inchangé et transforme |1〉 en −|1〉, ce qui correspond à un changement de phase. X échange les états de base, Hadamard crée des superpositions équilibrées, et Y introduit une phase imaginaire dans ses transformations.

32. Dans BB84, un photon préparé dans la base rectiligne H/V doit être converti vers la base diagonale +/−. Quelle porte permet ce changement de base en créant des superpositions équilibrées ?

La porte Y.
La porte Z.
La porte X.
La porte Hadamard.

La porte Hadamard.

Explication

La porte Hadamard transforme les états de base en superpositions équilibrées et permet de passer de la base rectiligne H/V à la base diagonale +/− dans BB84. X échange les états de base, Z change la phase de |1〉 et Y applique une phase imaginaire.

33. Une équipe veut manipuler un qubit encodé dans un électron. Quel dispositif physique convient pour agir sur son spin ?

Des lasers excitant des niveaux d’énergie atomiques
Des dispositifs optiques modifiant la polarisation
Des champs magnétiques ou des impulsions radiofréquences
Des impulsions micro-ondes appliquées à un circuit

Des champs magnétiques ou des impulsions radiofréquences

Explication

Le spin d’un électron se manipule à l’aide de champs magnétiques ou d’impulsions radiofréquences. Les dispositifs optiques agissent sur les photons, les lasers sur les atomes ou les ions, et les micro-ondes sur les circuits supraconducteurs.

34. Une porte quantique spécifie une transformation à effectuer sur un qubit. Quelle distinction décrit correctement le rôle de la porte et celui de sa manipulation physique ?

La manipulation décrit la transformation, et la porte la réalise sur le support matériel
La porte mesure l’état, et la manipulation détermine le résultat probable
La porte décrit la transformation, et la manipulation la réalise sur le support matériel
La porte choisit le support, et la manipulation définit les états de base

La porte décrit la transformation, et la manipulation la réalise sur le support matériel

Explication

La porte quantique décrit mathématiquement la transformation souhaitée, tandis que la manipulation physique l’exécute sur le système matériel. Confondre description et réalisation inverse leurs rôles ; attribuer à la porte une mesure ou un choix de support ne correspond pas à cette distinction.

35. Un qubit est préparé dans l’état ∣ψ⟩=35∣0⟩+45∣1⟩|\psi\rangle=\frac{3}{5}|0\rangle+\frac{4}{5}|1\rangle. Lors d’une mesure dans la base {∣0⟩,∣1⟩}\{|0\rangle,|1\rangle\}, quelle est la probabilité d’obtenir 0 ?

35\frac{3}{5}
1625\frac{16}{25}
75\frac{7}{5}
925\frac{9}{25}

$$\frac{9}{25}$$

Explication

La règle de Born donne pour le résultat 0 le carré du module de son amplitude : ∣35∣2=925\left|\frac{3}{5}\right|^2=\frac{9}{25}. 35\frac{3}{5} est l’amplitude non élevée au carré, et 1625\frac{16}{25} correspond au résultat 1.

36. Un qubit en superposition est mesuré et le résultat obtenu est 1. Quel enchaînement décrit l’effet de la mesure ?

Le qubit est projeté avant la mesure, puis son résultat est déterminé par son état initial
Le qubit est projeté dans les deux états, puis un résultat est choisi sans probabilités
Un résultat est tiré selon les probabilités, puis le qubit est projeté dans l’état correspondant
La superposition reste intacte, puis le résultat est lu sans modifier le qubit

Un résultat est tiré selon les probabilités, puis le qubit est projeté dans l’état correspondant

Explication

La mesure produit d’abord un résultat selon les probabilités associées aux états possibles, puis projette le qubit dans l’état correspondant, ici celui associé à 1. Maintenir la superposition ou projeter avant le résultat ne décrit pas cette séquence.

37. Après avoir mesuré un qubit dans la base {∣0⟩,∣1⟩}\{|0\rangle,|1\rangle\}, une expérimentatrice obtient 0. Quel état subsiste après cette mesure ?

∣1⟩|1\rangle
∣0⟩|0\rangle
L’état superposé initial
Un mélange inchangé des deux états de base

$$|0\rangle$$

Explication

Après une mesure dans la base considérée, un résultat 0 laisse le qubit dans ∣0⟩|0\rangle et détruit la superposition initiale. ∣1⟩|1\rangle correspond au résultat 1, tandis que les deux autres réponses supposent à tort que la superposition est conservée.

38. Un photon préparé en polarisation H est mesuré une première fois dans la base diagonale. Quelle distribution de résultats est attendue ?

+ et −, chacun avec une probabilité de 50 %
+ avec certitude
H avec certitude
H et V, chacun avec une probabilité de 50 %

+ et −, chacun avec une probabilité de 50 %

Explication

Un photon en polarisation H donne les résultats + et − avec une probabilité de 50 % chacun dans la base diagonale. Le résultat H déterministe concerne une mesure dans la base H/V ; une préparation H n’est pas une préparation diagonale.

39. Un qubit en superposition est exposé à des vibrations et à un rayonnement thermique. Quelle évolution peut-on attendre de son état ?

Sa superposition se détruit progressivement par interaction avec l’environnement.
La superposition se transforme en intrication avec un autre qubit.
Le qubit passe directement à l’état de base de plus faible énergie.
Sa superposition reste intacte, mais le qubit devient plus difficile à détecter.

Sa superposition se détruit progressivement par interaction avec l’environnement.

Explication

La décohérence apparaît lorsque le qubit interagit avec son environnement et détruit progressivement sa superposition. La perte de photons concerne les pertes de transmission, le passage à l’énergie minimale n’est pas le mécanisme indiqué, et l’intrication avec un autre qubit n’est pas impliquée ici.

40. Dans une liaison quantique, certains photons n’arrivent pas à destination et le détecteur enregistre parfois des événements sans photon correspondant. Quels problèmes expérimentaux sont présents ?

Une décohérence du qubit et une efficacité parfaite du détecteur.
Une intrication perturbée et une cause commune classique.
Des pertes de transmission et des faux signaux du détecteur.
Une correction d’erreurs et une perte de superposition à la source.

Des pertes de transmission et des faux signaux du détecteur.

Explication

La transmission peut subir des pertes optiques et du bruit, tandis qu’un détecteur imparfait peut avoir une efficacité limitée et produire de faux signaux. La décohérence désigne l’interaction du qubit avec l’environnement, et la correction d’erreurs est une solution, non un défaut de détection.

41. Deux systèmes éloignés présentent des résultats corrélés. Quelle distinction caractérise les corrélations classiques par rapport à celles de qubits intriqués ?

Les corrélations classiques persistent sans cause commune, tandis que les corrélations quantiques disparaissent à grande distance.
Les corrélations classiques supposent une cause commune, tandis que celles des qubits intriqués ne s’expliquent pas classiquement et persistent à grande distance.
Les corrélations classiques et quantiques supposent une cause commune, mais les secondes s’affaiblissent avec la distance.
Les corrélations classiques résultent d’une influence immédiate, tandis que les corrélations quantiques exigent un contact local.

Les corrélations classiques supposent une cause commune, tandis que celles des qubits intriqués ne s’expliquent pas classiquement et persistent à grande distance.

Explication

Dans la description classique, des systèmes éloignés n’ont pas d’influence immédiate et leurs corrélations supposent une cause commune. Les corrélations entre qubits intriqués ne s’expliquent pas par une cause classique et persistent à grande distance; cela ne signifie pas qu’un signal est transmis.

42. Deux qubits A et B sont décrits séparément par des états individuels. Quelle forme mathématique doit avoir leur état global pour être séparable ?

∣ψAB⟩=⟨ϕA∣χB⟩|\psi_{AB}\rangle=\langle\phi_A|\chi_B\rangle
∣ψAB⟩=∣ϕA⟩⊗∣χB⟩|\psi_{AB}\rangle=|\phi_A\rangle\otimes|\chi_B\rangle
∣ψAB⟩=∣ϕA⟩⊗∣ϕA⟩|\psi_{AB}\rangle=|\phi_A\rangle\otimes|\phi_A\rangle
∣ψAB⟩=∣ϕA⟩+∣χB⟩|\psi_{AB}\rangle=|\phi_A\rangle+|\chi_B\rangle

$$|\psi_{AB}\rangle=|\phi_A\rangle\otimes|\chi_B\rangle$$

Explication

Un état séparable s’écrit comme le produit tensoriel de l’état individuel de A et de celui de B. Une somme ne décrit pas cette factorisation, la répétition de l’état de A omet l’état de B, et le produit scalaire n’est pas un état composé.

43. Dans un état séparable, une mesure permet de connaître l’état de A. Que peut-on en déduire au sujet de B ?

L’état de B doit être identique à celui de A.
L’état de B ne peut pas être mesuré indépendamment.
L’état de B est fixé par le résultat obtenu pour A.
La connaissance de l’état de A ne donne pas d’information sur l’état de B.

La connaissance de l’état de A ne donne pas d’information sur l’état de B.

Explication

Dans un état séparable, chaque qubit conserve une description individuelle et l’état de A ne renseigne pas sur celui de B. Une dépendance entre les résultats caractérise plutôt des corrélations d’intrication; l’indépendance n’impose ni états identiques ni impossibilité de mesurer B.

44. Quelle propriété permet de distinguer un état intriqué de deux qubits d’un état séparable ?

Il exige que les états individuels des deux qubits soient différents.
Il peut s’écrire comme le produit tensoriel de deux états individuels.
Il ne peut pas s’écrire comme le produit tensoriel de deux états individuels.
Il exige que les deux qubits soient chacun dans un état de base.

Il ne peut pas s’écrire comme le produit tensoriel de deux états individuels.

Explication

Un état intriqué ne peut pas être factorisé en produit tensoriel d’états individuels, contrairement à un état séparable. La superposition d’un seul qubit ne définit pas l’intrication, et celle-ci n’exige ni des états de base ni des états individuels différents.

45. Deux qubits sont préparés dans l’état 12(∣01⟩+∣10⟩)\frac{1}{\sqrt{2}}(|01\rangle+|10\rangle). Si la mesure de A donne 0, quel résultat obtient-on pour B ?

Une superposition de 0 et 1
0
1
Un résultat indéterminé sans corrélation avec A

1

Explication

Dans cet état intriqué, les composantes sont ∣01⟩|01\rangle et ∣10⟩|10\rangle : lorsqu'A vaut 0, B vaut 1. La valeur 0 pour B correspondrait à une corrélation de résultats identiques, tandis que les résultats ne sont pas indépendants dans cet état.

46. Alice et Bob partagent un état de Bell et mesurent chacun leur qubit dans la base correspondante. Quel profil de résultats doivent-ils prévoir pour leurs mesures ?

Chaque résultat individuel est aléatoire à 50/50, et les deux résultats sont indépendants.
Chaque résultat individuel est aléatoire à 50/50, mais le couple présente une corrélation partielle.
Chaque résultat individuel est aléatoire à 50/50, mais les deux résultats sont parfaitement corrélés ou anticorrélés.
Chaque résultat individuel est fixé à l’avance, et les deux résultats sont parfaitement corrélés ou anticorrélés.

Chaque résultat individuel est aléatoire à 50/50, mais les deux résultats sont parfaitement corrélés ou anticorrélés.

Explication

Dans un état de Bell, chaque qubit pris seul est indéterminé à 50/50, tandis que les résultats du couple sont parfaitement corrélés ou anticorrélés. L’indépendance néglige l’intrication, des résultats individuels fixés confondent l’état global avec un état déterminé, et une corrélation partielle ne correspond pas à l’intrication maximale.

47. Deux qubits sont préparés dans l’état ∣Ψ+⟩|\Psi^+\rangle. Quelle relation lie les résultats des mesures des deux qubits dans la base considérée ?

Les résultats sont indépendants.
Les résultats sont indéterminés pour le couple.
Les résultats sont opposés.
Les résultats sont identiques.

Les résultats sont opposés.

Explication

Dans ∣Ψ+⟩|\Psi^+\rangle, les deux qubits donnent des résultats opposés, tandis que ∣Φ+⟩|\Phi^+\rangle associe des résultats identiques. L’indépendance et l’absence de corrélation ne décrivent pas ces états de Bell.

48. Quelle proposition décrit correctement la relation entre les inégalités de Bell, les théories à variables cachées locales et la mécanique quantique ?

Les théories à variables cachées locales respectent les inégalités, tandis que la mécanique quantique prédit qu’elles peuvent être violées.
Alain Aspect a formulé les inégalités, que les théories à variables cachées locales respectent.
Les théories à variables cachées locales respectent les inégalités, tandis que la mécanique quantique prédit qu’elles sont violées dans chaque expérience.
Les théories à variables cachées locales peuvent violer les inégalités, tandis que la mécanique quantique prédit qu’elles sont respectées.

Les théories à variables cachées locales respectent les inégalités, tandis que la mécanique quantique prédit qu’elles peuvent être violées.

Explication

John Bell a formulé en 1964 des inégalités que doivent respecter les théories à variables cachées locales, alors que la mécanique quantique prédit une violation possible. L’inversion échange les prédictions, Aspect est associé aux expériences, et une violation dans chaque expérience transforme à tort une possibilité en nécessité.

49. Quel résultat les expériences d’Alain Aspect menées à Orsay dans les années 1980 ont-elles obtenu avec des photons intriqués ?

Elles ont observé une violation des inégalités de Bell, en accord avec la mécanique quantique.
Elles ont observé le respect des inégalités de Bell, en accord avec les théories à variables cachées locales.
Elles ont observé une violation des inégalités de Bell, en accord avec les théories à variables cachées locales.
Elles ont établi l’absence de corrélations entre les photons, en accord avec la mécanique quantique.

Elles ont observé une violation des inégalités de Bell, en accord avec la mécanique quantique.

Explication

Les expériences d’Alain Aspect à Orsay, dans les années 1980, ont observé une violation des inégalités de Bell, conforme à la prédiction quantique. Le respect des inégalités correspondrait aux théories locales, et ces expériences ne sont ni les tests sans échappatoires modernes ni des expériences de John Bell.

50. Deux photons intriqués restent corrélés après avoir été séparés sur une très grande distance. Quelle conclusion respecte le sens de la non-localité ?

Les corrélations disparaissent au-delà d’une distance suffisante, conformément à la localité.
Les corrélations persistent grâce à un signal qui se propage à la vitesse de la lumière.
Les corrélations persistent parce qu’une information est transmise plus vite que la lumière.
Les corrélations persistent quelle que soit la distance, sans permettre une transmission d’information plus rapide que la lumière.

Les corrélations persistent quelle que soit la distance, sans permettre une transmission d’information plus rapide que la lumière.

Explication

La non-localité désigne des corrélations intriquées persistantes quelle que soit la distance, mais elle ne constitue pas une transmission d’information supraluminique. Assimiler la corrélation à un signal plus rapide que la lumière confond ces deux notions, tandis que la disparition à distance contredit la persistance des corrélations.

51. Une équipe compare deux protocoles : le premier détecte une interception par la perturbation causée par la mesure, tandis que le second vérifie des corrélations quantiques à l’aide des inégalités de Bell. Quelle attribution est correcte ?

Les deux sont BB84, fondés sur la perturbation par mesure.
Les deux sont E91, fondés sur la violation de Bell.
Le premier est E91 et le second est BB84.
Le premier est BB84 et le second est E91.

Le premier est BB84 et le second est E91.

Explication

BB84 repose sur la superposition et sur la perturbation de l’état par la mesure, alors qu’E91 s’appuie sur l’intrication et la violation des inégalités de Bell. Inverser les protocoles confond leurs mécanismes de sécurité, et attribuer aux deux le même mécanisme efface leur distinction.

52. Une source produit des paires intriquées et envoie un qubit à Alice et l’autre à Bob. Après avoir choisi chacun une base de mesure, quelles données peuvent-ils retenir pour construire leur clé E91 ?

Les résultats obtenus dans des bases différentes.
Les résultats d’une mesure effectuée par Alice seule.
Les résultats obtenus dans des bases compatibles.
Les résultats qu’ils publient pour le test de Bell.

Les résultats obtenus dans des bases compatibles.

Explication

Dans E91, Alice et Bob utilisent pour la clé les résultats correspondant à des bases compatibles, après avoir reçu chacun un qubit de la paire intriquée. Les bases différentes servent au test de Bell, les données publiées à la vérification de sécurité, et la procédure prévoit une mesure de chaque côté.

53. Après avoir publié une partie de leurs résultats E91, Alice et Bob constatent que les inégalités de Bell ne sont pas violées. Quelle conclusion doivent-ils tirer ?

Les résultats publiés forment leur clé secrète.
La ligne est sécurisée.
La violation des inégalités de Bell est établie.
La ligne est compromise.

La ligne est compromise.

Explication

Dans E91, Alice et Bob publient une partie de leurs résultats pour vérifier la violation des inégalités de Bell ; si elles ne sont pas violées, ils concluent que la ligne est compromise. Dire que la ligne est sécurisée inverse le critère, tandis que la publication sert au test plutôt qu’à la formation de la clé.

54. Une liaison quantique par fibre optique s’étend sur 100 km. Avec environ 0,2 dB/km de perte, quelle proportion des photons survit d’après l’ordre de grandeur indiqué ?

Environ 0,2 % des photons.
Environ 20 % des photons.
Environ 99 % des photons.
Environ 1 % des photons.

Environ 1 % des photons.

Explication

À 100 km, les pertes d’environ 0,2 dB/km laissent survivre seulement 1 % des photons. Lire 0,2 comme une proportion survivante confond décibels et fraction transmise ; 20 % applique mal la distance, et 99 % inverse survie et perte.

55. Quel résultat le satellite chinois Micius a-t-il permis en 2017 ?

Distribuer des clés intriquées sur plus de 1 200 km entre deux satellites.
Distribuer des clés intriquées sur plus de 1 200 km par fibre optique.
Distribuer des clés intriquées sur plus de 1 200 km entre deux stations terrestres.
Distribuer des clés intriquées sur quelques centaines de kilomètres entre deux stations terrestres.

Distribuer des clés intriquées sur plus de 1 200 km entre deux stations terrestres.

Explication

En 2017, Micius a distribué des clés intriquées sur plus de 1 200 km entre deux stations terrestres. La distance de quelques centaines de kilomètres relève des limites évoquées pour la distribution, tandis que la fibre optique et une liaison entre deux satellites ne correspondent pas au résultat cité.

56. Dans un dispositif expérimental, le bruit thermique, des vibrations mécaniques et des champs électromagnétiques parasites apparaissent. Quel effet ces facteurs peuvent-ils avoir sur les qubits intriqués ?

Provoquer une décohérence et réduire le temps de cohérence.
Augmenter les pertes de fibre sans affecter la cohérence.
Renforcer l’intrication et prolonger le temps de cohérence.
Provoquer une décohérence et augmenter le temps de cohérence.

Provoquer une décohérence et réduire le temps de cohérence.

Explication

Le bruit thermique, les vibrations mécaniques et les champs électromagnétiques parasites peuvent détruire l’intrication par décohérence et raccourcir le temps de cohérence. Une durée accrue inverse cet effet, et les pertes de fibre concernent la transmission plutôt que ce mécanisme environnemental.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 89 flashcards sur Intrication quantique et cryptographie.

Pour quels objets la physique classique décrit-elle efficacement la plupart des phénomènes ?

Les objets macroscopiques.

Quand les effets quantiques deviennent-ils importants selon l’action caractéristique ?

Lorsque l’action caractéristique est comparable à la constante de Planck hh.

À quelles longueurs d’onde la loi de Rayleigh–Jeans est-elle correcte ?

Aux grandes longueurs d’onde.

Voir les flashcards →

Approfondir avec la fiche

Consultez la fiche de révision complète sur Intrication quantique et cryptographie.

Voir la fiche →

Cours similaires

Taylor et extremums

Mathématiques

Limites et dérivation

Mathématiques

Statistiques descriptives en classes

Mathématiques

Morphologie et identification bactériennes

SVT

Analyse des systèmes industriels

Les capteurs et leurs applications

Physique

Crée tes propres QCM

Importe ton cours et l'IA génère des QCM avec corrections en 30 secondes.

Générateur de QCM