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Record du monde d'intrication quantique : 14 qubits !

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Un groupe de physiciens de l'Université d'Innsbruck vient de battre un nouveau record dans le domaine de l'information quantique en réussissant à intriquer 14 atomes de calcium dans un piège à ions. Cette performance est un pas de plus en direction d'un mythique ordinateur quantique capable de battre les superordinateurs classiques.

Richard Feynman, l'un des pionniers de l'ordinateur quantique, jouant du bongo. © Tom Harvey

Ce sont Albert Einstein et surtout Erwin Schrödinger qui ont les premiers compris que les équations de la mécanique quantique contenaient le mystérieux phénomène de l'intrication. Il se manifeste dans le cas du paradoxe EPR et dans celui du fameux chat de Schrödinger. Le premier a été observé par le physicien Alain Aspect et la résolution au moins partielle du second a été apportée théoriquement par Wojciech Zurek et observée expérimentalement par Serge Haroche.

L'intrication quantique pourrait permettre de fabriquer des ordinateurs capables de résoudre plus rapidement certains problèmes qui demandent aujourd'hui encore l'aide de supercalculateurs. Plus généralement, comme l'a montré Richard Feynman, un ordinateur quantique permettrait de simuler exactement certains systèmes physiques quantiques. Pour cela, il faut disposer non pas de bits mais bien de qubits d'informations.

À la recherche de calculs avec N qubits

Dans le cas du paradoxe EPR avec deux électrons intriqués dans un état quantique, on dispose de 2 qubits. Le cas d'un état quantique avec N qubits a été considéré par trois chercheurs parmi lesquels on trouve le célèbre Anton Zeilinger. On parle dans ce cas d'un état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ). Le nombre d'états portés par N qubits est égal à 2N. Ainsi, 10 qubits permettent de stocker et de calculer sur 1.024 états correspondant à 10 registres contenant les nombres 0 ou 1. L'avantage d'un ordinateur quantique sur un ordinateur classique est que le principe fondamental de la mécanique quantique, celui de la superposition des états, permet d'effectuer des sortes de calculs en parallèle avec les qubits.

Le physicien Anton Zeilinger. © Jacqueline Godany

On sait déjà faire des calculs avec des qubits, donc on dispose déjà d'ordinateurs quantiques. Sauf que ces derniers sont bien incapables d'égaler les performances d'une simple calculatrice des années 1970. Pour battre un supercalculateur comme le Jaguar, il faudrait disposer d'un état de GHZ avec un N important. On est encore très loin de pouvoir le faire et c'est même peut-être impossible à cause du mécanisme de décohérence découvert par Zurek. 

Un outil pour la biologie et la cosmologie quantique ?

Toujours est-il que la performance réalisée par Rainer Blatt et ses collègues de l'Université d'Innsbruck est intéressante dans ce contexte. Blatt s'est déjà fait connaître dans le domaine de la mécanique quantique avec ses travaux sur le théorème de Kochen-Speker (KS).

Dans le cas présent, les chercheurs ont d'abord piégé et intriqué des atomes de calcium avec un piège à ions de Paul et des impulsions laser. Plus précisément, ils ont employé la technique d'intrication d'ions de Mølmer-Sørensen. Ils sont parvenus à intriquer 14 ions de calcium, obtenant 14 qubits intriqués, ce qui constitue un record mondial.

De cette manière, les physiciens affirment avoir créé un élément de base pour un simulateur quantique utilisable pour explorer des systèmes physiques très variés. Ils citent ceux probablement mis en œuvre par les oiseaux pour s'orienter dans le champ magnétique terrestre ainsi que les champs quantiques en espace-temps courbes en cosmologie (effet Gibbons-Hawking et cosmologie inflationnaire).