Des physiciens savent quand sauver le chat de Schrödinger et nous rapprochent un peu plus des ordinateurs quantiques

La gestion des données quantiques et la correction des erreurs sont les plus grands défis auxquels les scientifiques sont confrontés dans le développement d’ordinateurs quantiques entièrement exploitables. Une nouvelle étude réalisée par des chercheurs de l’université Yale pourrait offrir les moyens de surmonter cette situation difficile, tout en sauvant le célèbre chat de Schrödinger.

En 1935, pour tenter de se moquer de l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, Erwin Schrödinger propose une expérience de pensée : un chat est placé dans une boîte fermée avec un échantillon radioactif, un compteur Geiger et une bouteille de poison.

Si le compteur Geiger détecte que la matière radioactive s’est désintégrée, il déclenchera l’écrasement de la bouteille de poison, tuant le chat. En effet, la vie du matou dépend de l’état déterminé par la mécanique quantique d’un atome en désintégration radioactive.

L’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique affirme qu’une particule existe dans tous les états à la fois jusqu’à ce qu’elle soit observée, ce que les physiciens appellent  » superposition « . Inversement, la matière radioactive peut s’être désintégrée simultanément et ne pas s’être désintégrée dans l’environnement scellé. Il s’ensuit que le chat de Schrödinger est à la fois vivant et mort jusqu’à ce qu’on ouvre la boîte. Bien sûr, tout le monde pensait que c’était absurde, mais c’est précisément cette absurdité que Schrödinger essayait de transmettre. Cependant, nous savons maintenant par des expériences que la superposition est réelle en mécanique quantique, aussi bizarre que cela puisse paraître.

(RMS)

Ainsi, l’atome radioactif et le chat sont intimement  » intriqués  » l’un avec l’autre. Mais une fois qu’un observateur ouvre la boîte, la « superposition » du chat, l’idée qu’il était dans les deux états, s’effondre dans la connaissance que « le chat est vivant » ou « le chat est mort », mais pas les deux. Ce changement brusque de l’état quantique de l’atome est supposé aléatoire et s’appelle un « saut quantique« . La notion de saut quantique a été décrite pour la première fois par le physicien danois Niels Bohr, mais ce n’est que dans les années 1980 qu’elle a été observée pour la première fois dans les atomes.

Selon Michel Devoret, professeur de physique appliquée et de physique à Yale et membre du Yale Quantum Institute :

Ces sauts se produisent chaque fois que nous mesurons un qubite. Les sauts quantiques sont connus pour être imprévisibles à long terme.

La nature de cet effondrement de superposition est très embêtante et gênante pour les applications pratiques de la technologie quantique. Devoret et ses collègues voulaient voir s’il était possible d’obtenir un signal d’avertissement avancé qu’un saut allait se produire.

Pour leur expérience, les chercheurs ont indirectement surveillé un atome supraconducteur ou qubit (l’unité d’information de base d’un ordinateur quantique) qui a été détruit par trois sources de micro-ondes dans une cavité 3D en aluminium. Une partie du rayonnement micro-ondes changeait le qubit entre les états énergétiques, tandis qu’un autre faisceau de rayonnement mesurait la cavité. À l’état fondamental du qubit, l’exposition au faisceau de micro-ondes libère des photons. Ainsi, une absence soudaine de photons signifie que le qubit est sur le point de faire un saut quantique dans un état excité.

Selon les chercheurs :

Le bel effet de cette expérience est l’augmentation de la cohérence pendant le saut, malgré son observation.

Vous pouvez en profiter non seulement pour attraper le saut, mais aussi pour l’inverser.

Les résultats de l’expérience contredisent les conclusions de Bohr montrant que les sauts quantiques ne sont ni brusques ni aussi aléatoires qu’on le croyait auparavant. Au lieu de cela, un saut quantique se produit toujours de la même manière prévisible à partir de son point de départ aléatoire. Cette nature déterministe signifie qu’elle peut également être inversée par une autre impulsion de rayonnement micro-ondes, renvoyant le qubit dans un état fondamental. En d’autres termes, sauver le chat de Schrödinger.

Les sauts quantiques d’un atome sont quelque peu analogues à l’éruption d’un volcan. Ils sont totalement imprévisibles à long terme. Néanmoins, avec une surveillance adéquate, nous pouvons avec certitude détecter un avertissement préalable d’une catastrophe imminente et agir en conséquence avant qu’elle ne se produise.

La nouvelle étude s’avérera utile dans le développement d’ordinateurs quantiques où les qubits sautent tout le temps, entraînant des erreurs de calcul. Là où les ordinateurs traditionnels effectuent leurs calculs en binaire, en utilisant des 1 et des 0, les ordinateurs quantiques exploitent les caractéristiques étranges de l’état quantique des particules à l’échelle atomique. Comme le chat de Schrödinger, la valeur d’un qubit n’est pas définitivement 1 ou 0, mais les deux en même temps. Un ordinateur quantique est théoriquement des milliers de fois plus rapide qu’un ordinateur traditionnel.

L’étude publiée dans Nature : To catch and reverse a quantum jump mid-flight et présentée sur le site de l’université Yale : Physicists can predict the jumps of Schrödinger’s cat (and finally save it).