Physique quantique

Quand les physiciens font ronronner un chat à distance...dans un ordinateur

Le principe de superposition quantique, sur lequel repose l’expérience du chat de Schrödinger, a été combiné dans une expérience à l’intrication quantique, phénomène dans lequel interagissent deux particules à distance. Le but, faire calculer les ordinateurs plus vite

Coup double pour une équipe de physiciens de l’université de Yale (Etats-Unis) en collaboration avec l’Institut national de recherche en informatique et automatique (Inria) en France, comme elle l’expose dans «Science» du 27 mai. Pour la première fois, un mariage a été réussi entre deux effets spectaculaires de la mécanique quantique, cette théorie qui décrit le monde des particules au comportement contre-intuitif: le paradoxe du chat de Schrödinger et l’interaction à distance.

La superposition quantique ou le chat de Schrödinger

Le premier effet tire son nom d’une expérience de pensée, proposée dans les années 1930 par l’un des pères de la mécanique quantique, Erwin Schrödinger. Il imaginait un chat enfermé dans une boîte dans laquelle un marteau peut casser une fiole contenant un poison mortel pour l’animal. Le déclenchement a lieu lorsqu’un atome se désintègre. Le sort du chat est couplé à celui de l’atome.

Question: tant que la boîte n’est pas ouverte, le chat est-il mort ou vivant? Réponse quantique: les deux! Aussi surprenant que cela puisse paraître, cette superposition de deux états discernables existe bel et bien. En 1996, deux équipes l’ont réalisée, en France et aux Etats-Unis, ce qui, ajouté à leurs réussites antérieures, vaudra à leurs auteurs, Serge Haroche et David Wineland, le prix Nobel de physique, en 2012.

Photons intriqués

Le second effet, baptisé également «intrication», est aussi le fruit d’une expérience de pensée remontant à 1935. Cette année-là, Albert Einstein et deux de ses collègues se demandent ce qu’il se passe si l’on sépare à très grande distance deux photons (des particules de lumière) préparés ensemble.

Finalement, caresser un chat dans le salon suscite un ronronnement chez un félin voisin dans la cuisine. Et, plus cruel, si on tue le chat du ­salon, alors celui de la cuisine meurt instantanément.

Comment leur comportement est-il corrélé? Réponse quantique: instantanément! Mesurer une propriété d’un membre de la paire transforme aussitôt l’autre membre. «Aussitôt» signifiant même… plus vite que la ­lumière. Là aussi, des expériences ont confirmé cette interaction à distance, comme celles réalisées par Alain Aspect en 1982 à Orsay.

Désormais, une nouvelle expérience, réalisée à Yale, vient de ­marier les deux effets. «Nous avons fabriqué un gros chat mort et vivant et dans deux boîtes à la fois», explique Mazyar Mirrahimi, directeur de recherche à l’Inria. «Ou, ce qui est équivalent, nous avons intriqué deux chats chacun dans une boîte.»

Finalement, caresser un chat dans le salon suscite un ronronnement chez un félin voisin dans la cuisine. Et, plus cruel, si on tue le chat du ­salon, alors celui de la cuisine meurt instantanément.

Chats photoniques

En réalité, les bestioles des chercheurs sont des champs électromagnétiques micro-ondes, ou photons, qui font des millions d’allers-retours dans une cavité aux parois réfléchissantes. Plus précisément, un «chat» est une superposition entre une onde et sa jumelle décalée de telle sorte que, dans le monde classique, la somme des deux devrait s’annuler. Mais pas dans le monde quantique: il y a à la fois des photons et pas de photons… Une ­dizaine de photons sont concernés, et l’équipe a déjà fabriqué des «chats» dix fois plus gros.

Pour créer cet état si étrange, un second objet est nécessaire. C’est une sorte d’atome artificiel, baptisé «transmon», qui possède lui aussi deux états distincts. Il ressemble à une lamelle dont une extrémité, telle une antenne, communique avec la boîte. Il joue le rôle de l’atome se désintégrant dans l’expérience de Schrödinger. En l’excitant, les physiciens influencent les ­micro-ondes jusqu’à réaliser la ­superposition paradoxale.

En prenant un transmon en forme de Y, chaque branche pointant vers une boîte, l’intrication est réalisée entre les états des deux boîtes. «C’est une expérience originale et très bien faite. Elle constitue une étape remarquable car, pour la première fois, nous sondons cette notion de non-localité sur une plus grande échelle», salue Michel Brune (CNRS) du laboratoire Kastler Brossel de l’ENS, à Paris, et qui était dans l’équipe du premier chat de Schrödinger en 1996.

Pour savoir que le monstre mi-mort, mi-vivant délocalisé dans deux pièces est bien là, les chercheurs ont mis au point une technique qui photographie patiemment leur créature, sans ouvrir les boîtes.

L’ordinateur quantique en ligne de mire

A quoi bon torturer ces chatons? Pour compter plus vite! Depuis plusieurs années, les chercheurs ont réalisé que ces drôles de «bêtes» peuvent accélérer les ordinateurs. Jusqu’à présent, ces derniers utilisent des circuits à base de transistors à deux états, ou bits, soit 0, soit 1. Si au lieu d’un composant classique, on dispose d’un équivalent quantique, valant à la fois 0 et 1, alors, en théorie, on peut écrire un algorithme qui résout plus vite certains problèmes. Seul gros bémol, ces nouveaux transistors, ou qubits, ne durent pas longtemps, quelques dizaines de microsecondes.

«C’est insuffisant pour faire toutes les opérations nécessaires. D’où l’idée de corriger les erreurs… grâce à d’autres qubits», explique Mazyar Mirrahimi, dont les collègues ont déjà conservé la superposition quantique pendant une milliseconde. Il faut plusieurs dizaines de qubits pour en corriger un… «L’intérêt de cette expérience est d’ouvrir la voie à une nouvelle architecture de correction d’erreurs», estime ­Daniel Esteve, chercheur au CEA en information quantique. En fait, les qubits américains sont plus gros que les ordinaires, ce qui permettrait de faire des corrections sans recourir à des composants supplémentaires. Dans un article à paraître, la même équipe estime avoir démontré son idée.

«L’intérêt est également fondamental: on espère toujours prendre en défaut la mécanique quantique et tomber sur des situations où elle ne marche plus, indique Michel Brune. Mais jusqu’à présent, elle résiste!»

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