L’un des pères de la mécanique quantique, le prix Nobel de physique Erwin Schrödinger. Sa mécanique des ondes de matière gouvernées par l’équation portant son nom a permis de comprendre les propriétés des atomes et des molécules. Il a découvert avec Einstein, en 1935, le phénomène d’intrication quantique impliqué par son équation. © Bettmann, Corbis

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Intrication quantique : un nouveau record avec 500.000 atomes

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Par Laurent Sacco, Futura

Le phénomène d'intrication quantique a été découvert théoriquement par Schrödinger et Einstein vers 1935. Les chercheurs souhaitent intriquer un grand nombre de particules portant des qubits car c'est l'une des clés de la révolution des ordinateurs quantique. Le nouveau record en date est impressionnant : 500.000 atomes.

  • Il y a deux problèmes centraux à résoudre pour fabriquer des ordinateurs quantiques performants, contourner l'obstacle de la décohérence et obtenir beaucoup de qubits intriqués.
  • En ce qui concerne les grands nombres d'atomes intriqués, le dernier record (500.000) a été obtenu avec des atomes de rubidium 87 et en utilisant des états de spin comprimés.

Interview : en quoi un ordinateur quantique est-il différent ?  Le monde quantique est fascinant : à cette échelle, par exemple, les objets peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états. Exploitant ce principe, un ordinateur quantique aurait des possibilités bien plus vastes qu’un modèle classique. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Claude Aslangul, professeur à l’UPMC, afin qu'il nous explique le fonctionnement de cette étrange machine. 

Il est difficile de prédire ce qu'il va advenir des applications technologiques dans ce nouveau domaine de la physique qu'est celui de l'information quantique. La cryptologie quantique se développe déjà mais ce que les chercheurs attendent d'une révolution, ce sont les mythiques ordinateurs quantiques. Il semble que plusieurs laboratoires soient confiants sur le fait qu'ils sont en train de faire des progrès notables en direction, au moins, des calculateurs quantiques performants. Il ne s'agirait pas de vrais ordinateurs programmables mais peut-être seront-ils en mesure de battre des superordinateurs classiques sur des problèmes bien spécifiques.

En tout état de cause, pour toutes ces machines, il y a deux problèmes à résoudre, celui de lutter contre le phénomène de la décohérence, qui perturbe et rend d'autant plus difficile l'exécution des calculs quantiques avec des qubits que ceux-ci sont nombreux, et celui justement d'avoir un grand nombre de qubits en état d'intrication.

Il est possible de vérifier qu'un ensemble de systèmes quantiques individuels sont bien intriqués en mettant en évidence ce que l'on appelle des corrélations de Bell, du nom du physicien irlandais John Bell qui s'est rendu compte de leur existence dans le formalisme de la théorie quantique interprétée dans le cadre de la fameuse interprétation de Copenhague. Ce sont ces corrélations qui ont été mises en évidence avec l'effet EPR en 1982 grâce aux expériences d'Alain Aspect et ses collègues.

John Bell devant le tableau noir dans son bureau au Cern. On peut y voir tout en haut la fameuse inégalité qu’il a démontrée en 1964, au-dessus d’un schéma montrant le principe de l’expérience réalisée en 1982 avec des paires de photons polarisés par Alain Aspect et ses collègues. © Cern

Une équipe de chercheurs de l'université de Stanford vient de pulvériser le record du nombre d'atomes intriqués. En mesurant justement les corrélations de Bell, ils ont montré qu'ils avaient intriqué avec succès 500.000 atomes... Il s'agit, en l'occurrence, de rubidium 87, comme les physiciens l'expliquent dans un article publié dans Physical Review Letters. Le précédent record était détenu par une équipe de physiciens du MIT et de l'université de Belgrade, également avec des atomes de 87 Rb, mais au nombre de 3.000 environ (voir l'article ci-dessous).

Des états de spins comprimés avec de l’intrication quantique

Pour atteindre ce résultat faramineux, les chercheurs ont produit ce qu'ils appellent dans leur jargon, des états de spins comprimés (en anglais, spin-squeezed states). Il s'agit d'une variante un peu subtile des états comprimés réalisés par exemple avec des oscillateurs quantiques et de la lumière. Ainsi, les chercheurs savent qu'il n'est pas possible d'attribuer une valeur précise simultanément à la position et à la quantité de mouvement d'une particule, et que le produit de l'incertitude sur la position par celui sur la quantité de mouvement doit être plus grand que la constante de Planck divisée par 2pi. Il s'agit d'une des fameuses inégalités de Heisenberg. Il est parfois possible de s'arranger pour que l'état quantique de la particule soit tel que ce produit est en réalité, minimal donc égal à h/2pi. C'est alors qu'on parle d'état comprimé et pour une bonne raison puisque, en quelque sorte, les incertitudes sont réduites, comprimées. Au final, les inégalités de Heisenberg apparaissent dans certains cas parce que les paires de grandeurs physiques considérées sont décrites mathématiquement par des quantités dont le produit ne commute pas. C'est le cas avec certaines composantes du moment cinétique et même du spin des particules.

On ne sait pas encore ce qu'il est possible de faire précisément avec ce grand nombre d'atomes intriqués et avec des états de spins comprimés mais gageons que les chercheurs ne vont pas tarder à le savoir.

Pour en savoir plus

Une intrication avec 3.000 atomes

Article de Laurent Sacco publié le 13/04/2015

Bien qu'elle n'ait pas encore directement d'application dans le domaine des ordinateurs quantiques, une performance d'une équipe de physiciens du MIT et de l'université de Belgrade mérite d'être saluée. Les chercheurs ont en effet réussi à intriquer 3.000 atomes à l'aide d'une impulsion laser contenant un seul photon. Ce nouveau record d'intrication va permettre de fabriquer des horloges atomiques plus précises.

L'information quantique fascine. Notamment parce qu'on y parle de téléportation et d'ordinateurs quantiques avec parfois un parfum de rêves de Science-fiction. Cette nouvelle science a déjà une application bien concrète, la cryptographie quantique. Mais à moins que la société D Wave Systems ait bel et bien réussi son pari en créant les premiers calculateurs quantiques performants, tous ces rêves sont encore hors de portée pour longtemps dans le cas des ordinateurs quantiques.

En effet, même pour réaliser des simulateurs quantiques puissants comme ceux imaginés par Richard Feynman, il faut disposer d'un grand nombre de qubits. Plus précisément il faut réussir à obtenir un grand nombre de systèmes physiques portant chacun un bit d'information quantique qui soient intriqués. Rappelons que l'intrication quantique a été découverte théoriquement et simultanément par Schrödinger et Einstein. Leurs idées à ce sujet ont été publiées en 1935 dans le cadre de deux expériences de pensée désormais célèbre, celle du chat de Schrödinger et celle du paradoxe EPR. La condition d'intrication est nécessaire pour pouvoir bénéficier des lois de la mécanique quantique pour effectuer des sortes de calculs en parallèle susceptibles de surpasser largement ceux que peuvent effectuer les supercalculateurs dans certains cas. Malheureusement, le phénomène de décohérence limite le temps imparti à ces calculs d'autant plus fortement qu'ils sont faits avec un grand nombre de qubits.

La caractéristique d’une horloge atomique est d’utiliser des atomes en guise de balancier : leurs oscillations sont en effet parfaitement stables et reproductibles. La durée d’observation de ces oscillations est cruciale : plus elle est longue, meilleure sera l’horloge. Le projet de recherche Fontaine continue suisse (FOCS) a permis de construire des horloges atomiques parmi les plus précises du monde. On voit ici FOCS 1 qui est la première horloge atomique utilisant un jet continu d’atomes froids. FOCS 1 ne dérive que d’une seconde en 30 millions d’années. © Metas

Des horloges qui ne retarderaient que d’une minute depuis le Big Bang

L'annonce faite récemment par une équipe de physiciens du MIT et de l'université de Belgrade dans un article de Nature mérite en tout cas d'être saluée. Les chercheurs ont en effet mis au point une technique qui, non seulement leur a permis de battre un record en intriquant 3.000 atomes alors que les précédents étaient de l'ordre de la centaine, en n'utilisant qu'un seul photon. Les physiciens n'avaient cependant pas pour but initial de progresser dans le domaine des simulateurs et des ordinateurs quantiques, mais bien dans celui des horloges atomiques.

Les horloges atomiques modernes, cousines de celles issues des travaux par Norman Ramsey, font usage d'atomes refroidis et piégés à basse température à l'aide de lasers. Leur précision est proportionnelle à la racine carrée du nombre d'atomes utilisés. Mais si ceux-ci sont intriqués, la performance obtenue est directement proportionnelle au nombre d'atomes, ce qui permet évidemment de repousser plus facilement les limites des horloges atomiques.

Celles que l'on sait faire aujourd'hui sont si précises qu'elles ne dérivent que d'une minute tout au plus sur une durée de l'ordre de l'âge de l'Univers observable, c'est-à-dire 13,8 milliards d'années. Gagner encore en précision va permettre d'améliorer des technologies déjà existantes comme le GPS ou celles des télécommunications. On peut espérer faire aussi de nouvelles découvertes en physique, par exemple, en mettant en évidence une infime variation dans le temps de certaines constantes fondamentales.