En utilisant environ 10 000 atomes d’ytterbium refroidis à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, des chercheurs sont parvenus à maintenir un état de superposition quantique pendant plus de 23 minutes, établissant un nouveau record. Chaque atome a été contrôlé avec précision pour être maintenu dans deux états opposés avec des spins très différents. Cet exploit pourrait ouvrir la voie à des traitements plus stables de l’information pour les ordinateurs quantiques, ainsi qu’à la découverte de nouveaux phénomènes physiques.
La superposition quantique est un étrange phénomène au cours duquel un objet peut présenter simultanément plusieurs états distincts. Elle est illustrée par la célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger (ou paradoxe de Schrödinger), où un chat est enfermé dans une boîte contenant du poison, un atome radioactif et un compteur Geiger. L’atome peut se désintégrer dans un laps de temps aléatoire, ce qui brise la fiole et finit par tuer le chat. Cependant, comme l’observateur extérieur ne peut constater si l’atome s’est réellement désintégré ou non (déclenchant le compteur Geiger et brisant ainsi la fiole), le chat peut être à la fois mort et vivant. Il reste donc théoriquement dans un état de superposition quantique jusqu’à ce qu’on ouvre la boîte pour vérifier son état définitif.
De manière simplifiée (sans représenter ici un phénomène quantique), on pourrait aussi comparer cet état à celui d’une pièce lancée dans les airs. Elle présente ses deux côtés en même temps à nos yeux (en tournant très vite), jusqu’à ce qu’elle atterrisse.
Les physiciens ont déjà observé ce type de comportement au niveau des particules, telles que les photons et les électrons. L’objet le plus volumineux dans lequel la superposition quantique a pu être observée est un cristal de 16 microgrammes, soit d’environ la taille d’un grain de sable fin. Bien que le cristal soit encore loin d’être comparable à un chat, il est tout de même plusieurs milliards de fois plus massif qu’un atome ou une molécule, confirmant ainsi que les phénomènes quantiques ne concernent pas que les particules élémentaires.
Cependant, maintenir cet état de superposition est extrêmement difficile, et les chercheurs ne sont jusqu’à présent parvenus à le conserver que pendant de très courts laps de temps. « La préservation des états non classiques cohérents pendant longtemps est particulièrement difficile en raison de leur fragilité dans l’environnement », explique l’équipe de recherche, de l’Université des sciences et technologies de Chine, dans son rapport d’étude en prépublication sur la plateforme arXiv. Cette dernière a établi un nouveau record en maintenant des atomes en superposition quantique pendant plus de 23 minutes.
Une durée de superposition record de 1 400 secondes
Pour observer la superposition quantique, les chercheurs chinois ont isolé environ 10 000 atomes d’ytterbium, refroidis à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu et piégés au sein d’un champ électromagnétique généré par un laser. Ces conditions permettent de contrôler avec une grande précision les états quantiques des atomes. L’équipe a placé chaque atome dans une superposition de deux états diamétralement opposés, notamment avec des spins très distincts – un état appelé « chat quantique ».
Les chercheurs sont parvenus à maintenir l’état de superposition quantique pendant exactement 1 400 secondes. « Protégé dans un sous-espace sans décohérence contre les décalages de lumière inhomogènes d’un réseau optique, l’état de superposition atteint un temps de cohérence de 1 400 secondes », explique l’équipe. Cette durée pourrait encore être étendue en utilisant un meilleur système d’isolation. Il serait en outre possible d’utiliser d’autres éléments que l’ytterbium, mais la configuration particulière de ce dernier fait qu’il est très sensible aux mesures du champ magnétique.
Ces résultats pourraient avoir des implications dans le développement de bits quantiques plus stables. L’approche pourrait aussi permettre de développer de nouvelles techniques de mesure pour l’étude des forces magnétiques et potentiellement découler sur de nouveaux phénomènes physiques exotiques.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]