Dans sa boîte, le chat de Schrödinger est simultanément dans deux états : vivant et mort. Il n’y a qu’en ouvrant la boîte qu’il est possible de faire tomber cet état de superposition, scellant en même temps aléatoirement le destin du félin. Mais ce changement d’état, matérialisé par un saut quantique, est-il si aléatoire que cela ? Dans une expérience récente, des chercheurs ont réussi à prédire les sauts quantiques au sein d’atomes artificiels, apportant ainsi un soupçon de déterminisme à la physique quantique, là où pendant des décennies les physiciens ont pensé qu’une telle prévisibilité était fondamentalement exclue.
Le chat de Schrödinger est un paradoxe bien connu utilisé pour illustrer le concept de superposition quantique — la capacité d’existence simultanée de deux états opposés — et l’indéterminisme en physique quantique. L’idée est qu’un chat soit placé dans une boîte scellée, avec une source radioactive et un poison qui sera déclenché si un atome de la substance radioactive se désintègre.
La physique quantique suggère que, jusqu’à ce que quelqu’un ouvre la boîte, le chat soit à la fois vivant et mort, une superposition d’états. En ouvrant la boîte pour observer le chat, il change brusquement son état quantique de manière abrupte, le forçant à être mort ou vivant. Le saut quantique est le changement discret (non continu) et aléatoire de l’état lorsqu’il est observé.
Prédire les sauts quantiques : une avancée cruciale pour l’informatique quantique
L’expérience, réalisée dans le laboratoire du professeur Michel Devoret à Yale et proposée par l’auteur principal Zlatko Minev, examine pour la première fois le fonctionnement réel d’un saut quantique. Les résultats révèlent une découverte surprenante qui contredit l’opinion établie du physicien danois Niels Bohr : les sauts ne sont ni abrupts ni aussi aléatoires qu’on ne le pensait auparavant. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Nature.
Pour un objet microscopique tel qu’un électron, une molécule ou un atome artificiel contenant une information quantique (quantifiée en termes de qubit), un saut quantique est la transition soudaine d’un de ses états d’énergie discrets à un autre.
Dans le développement de l’informatique quantique, les chercheurs doivent absolument faire face aux sauts des qubits, qui sont la manifestation d’erreurs de calcul. Les sauts quantiques énigmatiques ont été théorisés par Bohr il y a un siècle, mais n’ont été observés que dans les années 1980, dans les atomes.
« Ces sauts se produisent chaque fois que nous mesurons un qubit » déclare Devoret, professeur de physique appliquée et théorique à Yale et membre du Yale Quantum Institute. « Les sauts quantiques sont connus pour être imprévisibles à long terme ».
« Malgré cela, nous voulions savoir s’il était possible de recevoir un signal d’avertissement indiquant qu’un saut est sur le point de se produire de façon imminente » explique Minev. L’expérience était inspirée d’une prévision théorique du professeur Howard Carmichael de l’Université d’Auckland, pionnier de la théorie de la trajectoire quantique et co-auteur de l’étude.
Outre son impact fondamental, la découverte constitue une avancée majeure potentielle dans la compréhension et le contrôle de l’information quantique. Les chercheurs disent que la gestion fiable des données quantiques et la correction des erreurs à mesure qu’elles se produisent constituent un défi majeur pour le développement d’ordinateurs quantiques pleinement efficaces.
Des sauts quantiques prévisibles dans les atomes artificiels
L’équipe de Yale a utilisé une approche spéciale pour surveiller indirectement un atome artificiel supraconducteur, avec trois générateurs de micro-ondes irradiant l’atome enfermé dans une cavité 3D en aluminium. La méthode de surveillance doublement indirecte, développée par Minev pour les circuits supraconducteurs, permet aux chercheurs d’observer l’atome avec une efficacité sans précédent.
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Le rayonnement micro-ondes agite l’atome artificiel observé simultanément, ce qui entraîne des sauts quantiques. Le minuscule signal quantique de ces sauts peut être amplifié sans perte due à la température ambiante. Ici, leur signal peut être surveillé en temps réel. Cela a permis aux chercheurs de constater une absence soudaine de photons de détection (photons émis par un état auxiliaire de l’atome excité par les micro-ondes) ; cette minuscule absence est l’avertissement préalable d’un saut quantique.
« L’effet démontré par cette expérience est l’augmentation de la cohérence pendant le saut, malgré son observation » déclare Devoret. Minev a ajouté : « Vous pouvez en tirer parti pour non seulement saisir le saut, mais aussi l’inverser ».
Alors que les sauts quantiques semblent discrets et aléatoires à long terme, inverser un saut quantique signifie que l’évolution de l’état quantique possède, en partie, un caractère déterministe et non aléatoire ; le saut se produit toujours de la même manière prévisible à partir de son point de départ aléatoire.
« Les sauts quantiques d’un atome sont quelque peu analogues à l’éruption d’un volcan. Ils sont complètement imprévisibles à long terme. Néanmoins, avec une surveillance adéquate, nous pouvons détecter avec certitude un avertissement de catastrophe imminente et agir avant qu’il ne se produise » conclut Minev.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
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principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]