Billes quantiques dans un bol de lumière


Billes quantiques dans un bol de lumière

Illustration artistique d’une de matière dévalant une colline potentielle escarpée. Crédit photo : Enrique Sahagún – Scixel

Quels facteurs déterminent la rapidité avec laquelle un ordinateur quantique peut effectuer ses calculs ? Des physiciens de l’Université de Bonn et du Technion – Israel Institute of Technology ont développé une expérience élégante pour répondre à cette question. Les résultats de l’étude seront publiés la revue Avancées scientifiques.

Les ordinateurs sont des machines sophistiquées qui s’appuient sur les principes de la mécanique quantique pour traiter l’information. Cela devrait leur permettre de faire face à certains problèmes à l’avenir qui sont totalement insolubles pour les ordinateurs conventionnels. Mais aussi pour les ordinateurs quantiques, il existe des limites fondamentales à la quantité de données qu’ils peuvent traiter dans un certain temps.

Les portes quantiques nécessitent un temps minimum

Les informations stockées dans les ordinateurs conventionnels peuvent être considérées comme une longue série de zéros et de uns appelés bits. C’est différent en mécanique quantique : l’information est stockée dans des bits quantiques (qubits), qui ressemblent plus à une onde qu’à une série de valeurs discrètes. Les physiciens parlent aussi de fonctions d’onde lorsqu’ils veulent représenter avec précision l’information contenue dans les qubits.

Dans un ordinateur conventionnel, les informations sont reliées les unes aux autres par ce que l’on appelle des portes. La combinaison de plusieurs portes permet des calculs élémentaires, tels que l’addition de deux bits. De manière très similaire, les informations sont traitées dans les ordinateurs quantiques, où les portes quantiques modifient la fonction d’onde selon certaines règles.

Les portes quantiques sont similaires à leurs parents traditionnels à d’autres égards : « Même dans le monde quantique, les portes ne fonctionnent pas à une infinie », explique le Dr. Andrea Alberti de l’Institut de physique appliquée de l’Université de Bonn. « Il faut un minimum de temps pour transformer la fonction d’onde et les informations qu’elle contient. »

Il y a plus de 70 ans, les physiciens soviétiques Leonid Mandelstam et Igor Tamm ont théoriquement déduit ce temps minimum pour la transformation de la fonction d’onde. Des physiciens de l’Université de Bonn et du Technion ont maintenant étudié cette limite de Mandelstam-Tamm pour la première fois avec une expérience sur un système quantique complexe. Pour ce faire, ils ont utilisé des atomes de césium, qui se déplaçaient de manière très contrôlée. « Dans l’expérience, nous laissons des atomes individuels rouler comme des billes dans un de lumière et observer leur mouvement », explique Alberti, qui a dirigé l’étude expérimentale.

Les atomes peuvent être décrits en mécanique quantique comme des ondes de matière. Au cours du voyage jusqu’au fond du bol lumineux, ses informations quantiques changent. Les chercheurs voulaient maintenant savoir quand cette « déformation » pourrait être reconnue au plus tôt. Cette fois ce serait la preuve expérimentale de la limite de Mandelstam-Tamm. Le problème avec cela, cependant, est que dans le monde quantique, toute mesure de la position de l’atome modifie inévitablement l’onde de matière de manière imprévisible. Il semble toujours que le marbre s’est déformé, quelle que soit la vitesse à laquelle la mesure est effectuée. «Nous avons donc développé une méthode différente pour détecter l’écart par rapport à l’état initial», explique Alberti.

Pour ce faire, les chercheurs ont d’abord créé un clone de l’onde de matière, c’est-à-dire un jumeau presque exact. « Nous avons utilisé des impulsions lumineuses rapides pour créer ce qu’on appelle une superposition quantique de deux états de l’atome », explique Gal Ness, doctorant au Technion et premier auteur de l’étude. « Au sens figuré, l’atome se comporte comme s’il avait deux couleurs différentes en même temps. » Selon la couleur, chaque jumeau d’atome prend une position différente dans le bol lumineux : l’un se tient haut sur le bord et « roule » vers le bas à partir de là. L’autre, cependant, est déjà au fond du bol. Ce jumeau ne bouge pas – après tout, il ne peut pas enrouler les murs et ne change donc pas sa fonction d’onde.

Les physiciens ont comparé les deux clones à intervalles réguliers. Ils l’ont fait en utilisant une technique appelée interférence quantique, qui est utilisée pour détecter très précisément les différences d’ondes. De cette façon, ils ont pu déterminer après quel temps une déformation significative de l’onde de matière est apparue pour la première fois.

Deux facteurs déterminent la limitation de vitesse

En faisant varier la hauteur au-dessus du fond de la parabole au début de l’expérience, les physiciens ont également pu contrôler l’énergie moyenne de l’atome. Moyenne, car le montant ne peut pas être déterminé exactement. L’« énergie locale » de l’atome est donc toujours incertaine. « Nous avons pu montrer que le temps minimum pour le changement de l’onde de matière dépend de cette incertitude énergétique », explique le professeur Yoav Sagi, qui dirigeait l’équipe partenaire au Technion : « Plus l’incertitude est grande, plus le Mandelstam-Tamm est court. temps. « 

C’est exactement ce que les deux physiciens soviétiques avaient prédit. Mais il y avait un deuxième effet : si l’incertitude énergétique augmentait de plus en plus jusqu’à dépasser l’énergie moyenne de l’atome, le temps minimum ne diminuait plus – contrairement à ce que suggérerait en réalité la limite de Mandelstam-Tamm. Les physiciens ont ainsi prouvé une seconde limite de vitesse qui a été théoriquement découverte il y a environ 20 ans. La limite de vitesse ultime dans le monde quantique n’est donc pas seulement déterminée par l’incertitude énergétique, mais aussi par l’énergie moyenne.

« C’est la première fois que les deux limites de vitesse quantique peuvent être mesurées pour un système quantique complexe et même dans une seule expérience », s’enthousiasme Alberti. Les futurs ordinateurs quantiques pourront peut-être résoudre des problèmes rapidement, mais eux aussi seront liés par ces limites fondamentales.


Il y a aussi une limite de vitesse dans le monde quantique


Plus d’information:
Gal Ness et al., Observant la transition entre les limites de vitesse quantique, Avancées scientifiques (2021). DOI : 10.1126 / sciadv.abj9119

Fourni par l’Université de Bonn

Devis: Quantum Marbles in a bowl of light (2021, 22 décembre), consulté le 22 décembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-12-quantum-marbles-bowl.html

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