Le problème avec la mécanique quantique, c’est que les particules se comportent de manière imprévisible. C’est pourquoi elle est si difficile à manipuler. Mais les choses pourraient bientôt changer.
Une équipe de chercheurs de l’Université de Yale (États-Unis) explique avoir trouvé un moyen de faire des prédictions quantiques. Un type de comportement atomique appelé « saut quantique », plus précisément. Une découverte qui, en plus de nous familiariser avec la nature « extraordinaire » de cette physique, pourrait avoir des implications pour l’amélioration des ordinateurs quantiques. Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Nature.
Le chat de Schrödinger
Les particules quantiques se caractérisent par leur imprévisibilité. Pour illustrer cette caractéristique, le physicien Erwin Schrödinger imagina en 1935 le célèbre « paradoxe du chat ». L’expérience propose le scénario suivant : un chat se retrouve dans une boîte fermée. À l’intérieur de la boîte se trouvent également une source de désintégration radioactive, un compteur Geiger et une fiole de poison scellée. Si le compteur Geiger détecte la moindre désintégration radioactive (même un seul atome), il détruit la fiole de poison. Celui-ci se répand et tue le chat.
Le problème, c’est que nous n’avons aucun moyen de regarder à l’intérieur de la boîte. On ne peut donc pas déterminer si le chat est vivant ou mort. Jusqu’à ce que nous puissions ouvrir la boîte, celui-ci peut donc exister dans les deux états à la fois. En revanche une fois la boîte ouverte, le chat devient immédiatement soit mort, soit vivant. Il ne peut plus être les deux à la fois.
Schrödinger transforme ici en métaphore le principe de superposition quantique, selon lequel une particule peut exister simultanément dans plusieurs états énergétiques jusqu’à ce que vous puissiez l’observer. Une fois que c’est fait, la particule se retrouve donc dans un état ou dans un autre : on appelle cette transition le « saut quantique ». C’est ce saut que les chercheurs de Yale ont récemment été en mesure de prédire.
Expérience avec un qubit
Pour ce faire, les physiciens ont utilisé des atomes artificiels appelés qubits. Pour rappel, un qubit représente la plus petite unité de stockage d’information quantique. Chaque fois que vous mesurez un qubit, il effectue un saut quantique. À long terme, ces transitions deviennent trop aléatoires pour être prédites. C’est pourquoi nous avons du mal, encore, à proposer une véritable informatique quantique.
Ce qu’ont tenté de comprendre les chercheurs, c’est s’il était possible ou non de recevoir une sorte de « signal d’alerte » anticipant un saut quantique. Pour le savoir, ils ont conçu une expérience au cours de laquelle ils ont irradié un bit quantique dans une enceinte 3D étanche en aluminium avec trois générateurs à micro-ondes.
Un premier faisceau de rayonnement commute le qubit entre les états d’énergie, tandis qu’un autre surveille le boîtier. Lorsque le qubit se retrouve dans un état fondamental, un troisième faisceau produit des photons. Ce que les chercheurs ont observé ici, c’est qu’une absence soudaine de photons signifie que le qubit est sur le point de faire un saut quantique. C’est le signal d’alerte.
Partant de ce principe, les chercheurs expliquent avoir été en mesure, au moyen d’une autre impulsion, d’arrêter et d’inverser cette transition. Autrement dit, et pour en revenir à la métaphore, ils ont pu « sauver » le chat de Schrödinger.
Bientôt une mécanique quantique « en temps réel » ?
Notons qu’il existe toujours une imprévisibilité à long terme. Les chercheurs ne peuvent pas, par exemple, prédire exactement quand un saut quantique va se produire. Ce qu’ils peuvent estimer, c’est que l’action va se dérouler prochainement. « Les sauts quantiques d’un atome sont quelque peu analogues à l’éruption d’un volcan, peut-on lire. Ils sont complètement imprévisibles à long terme. Néanmoins, avec une surveillance correcte, nous pouvons détecter avec certitude un avertissement de catastrophe imminente et agir avant qu’il ne se produise ».
Il reste encore beaucoup de travail avant de pouvoir intégrer ce principe aux ordinateurs quantiques. Néanmoins, le fait de pouvoir « prédire » une action avant qu’elle ne se produise pourrait, à terme, permettre aux chercheurs de pouvoir identifier les erreurs au fur et à mesure qu’elles se produisent.
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