Des physiciens affirment avoir créé un nouveau type de superposition quantique constitué uniquement de composants hautement quantiques. Contrairement à la superposition quantique conventionnelle, ce nouvel état comprendrait uniquement des composants non classiques, obtenus à l’aide d’un ion piégé combinant deux systèmes quantiques distincts au sein d’une même plateforme expérimentale. Cette découverte pourrait avoir des implications dans le développement des technologies quantiques et dans la compréhension des fondements de la physique quantique elle-même.
La superposition, un phénomène selon lequel les objets peuvent exister simultanément dans plusieurs états quantiques, constitue l’un des aspects les plus étonnants de la mécanique quantique. Le concept est illustré par la célèbre analogie du chat de Schrödinger, où un chat hypothétique enfermé dans une boîte contenant un poison peut être à la fois mort ou vivant jusqu’à ce que l’on ouvre la boîte pour observer son état.
En physique, la superposition quantique est couramment utilisée en laboratoire, par exemple pour les horloges atomiques et dans les ordinateurs quantiques en contrôlant les états des atomes, des photons et du mouvement. En informatique quantique, ces états permettent aux bits quantiques (qubits) d’exister simultanément dans les états 0 et 1, offrant un avantage de calcul significatif par rapport aux bits classiques.
Les systèmes quantiques, comme les oscillateurs harmoniques quantiques, peuvent même adopter plusieurs états simultanément, notamment en occupant de nombreux niveaux d’énergie dans une variété de systèmes physiques tels que la lumière, les vibrations et le mouvement de particules piégées.
Dans une étude parue récemment dans Physical Review X, des chercheurs de l’Université d’Oxford décrivent une nouvelle catégorie de superposition quantique qui serait construite uniquement à partir de composants non classiques.
« Nous avons été très encouragés par la réaction de nos collègues lorsque nous leur avons montré ce que nous avions réalisé. Nous pensons que nous n’avons fait qu’effleurer le potentiel de ces travaux, tant pour les applications pratiques que pour la compréhension de ces états à un niveau plus fondamental », a déclaré Raghavendra Srinivas du Département de physique de l’Université d’Oxford, qui a dirigé l’étude, dans un communiqué.
Une nouvelle architecture fondée sur des états non classiques
Pour effectuer leur expérience, l’équipe de Srinivas a mis au point une technique combinant un large éventail de composants quantiques. Ces composants reposaient sur le mouvement d’un ion piégé, qui, à son tour, est composé de deux systèmes quantiques distincts : son état interne se comporte comme un qubit, tandis que son mouvement agit comme un oscillateur harmonique quantique pouvant occuper simultanément de nombreux états de mouvement différents. Cette combinaison rendrait les ions piégés particulièrement adaptés à la création d’états quantiques dépassant le cadre des qubits conventionnels.
Afin de générer ces nouveaux états, les physiciens ont d’abord induit des interactions intriquant l’état interne de l’ion avec différents états de mouvement possibles. Ensuite, ils ont effectué une mesure quantique de cet état interne, projetant ainsi le système dans la superposition souhaitée des composantes non classiques du mouvement de l’ion.
« Cette approche nous a donné un outil pour sculpter la superposition quantique en presque n’importe quelle forme », explique Sebastian Saner du Département de physique de l’Université d’Oxford, l’auteur principal de l’étude. Plus précisément, l’approche aurait permis à l’équipe de contrôler avec précision les différents états quantiques produits.
Le contrôle des paramètres expérimentaux aurait permis de modifier la taille, l’orientation et la séparation des composants au sein de la superposition. Cette flexibilité leur aurait permis de créer une diversité d’états quantiques de mouvement inhabituels à partir du même système d’ions piégés. Ces résultats constitueraient une démonstration de la présence de superpositions quantiques composées d’états de mouvement véritablement non classiques.
Ces travaux pourraient contribuer au développement de qubits plus performants et plus résistants aux erreurs, l’un des plus grands défis de l’informatique quantique. Ils offrent également une plateforme expérimentale pour étudier la question de la frontière entre le monde classique et celui quantique. L’équipe de l’étude travaille actuellement avec des théoriciens afin de mieux comprendre dans quelle mesure ces états nouvellement créés sont véritablement « quantiques ».
