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Demain, des ordinateurs quantiques à neutrons ?

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80 ans après sa fondation lors du congrès Solvay de 1927, la mécanique quantique fait toujours l'objet d'intenses études sur sa structure et son interprétation. Ses applications couronnées de succès sont bien sûr innombrables mais son caractère non intuitif continue de mettre mal à l'aise pas mal de physiciens professionnels.

Réacteur à haut flux de neutron de l'Institut Laue-Langevin
Principe de l'expérience d'interféromètrie neutronique de l'expérience de Y Hasegawa & all (Crédit Y Hasegawa)

Les tentatives pour la mettre à l'épreuve et la dépasser sont donc constantes, surtout depuis les derniers progrès technologiques en optique. Ajouté à cela, est la conviction croissante que la mécanique quantique possède des relations importantes avec la théorie de l'information et les technologies de son traitement.

C'est dans ce contexte que Yuji Hasegawa et ses collègues, Rudolf Loidl et Matthias Baron de l'Atominstitut der Österreichischen Universitäten et de l'Institut Laue-Langevin en France, ont joint leurs forces avec Gerald Badurek et Helmut Rauch, aussi de l'Atominstitut, pour tester une interprétation à variables cachées de la mécanique quantique dite interprétation non-contextuelle.

Il s'agissait d'une expérience sur le fameux emmêlement quantique des états, rendu célèbre par les expériences d'Alain Aspect avec des photons. On considérait une version du fameux paradoxe EPR, sous la forme donnée par David Bohm, avec l'emmêlement des états de spin de deux photons. La mécanique quantique prédisait alors la violation d'une inégalité de Bell, du nom de son découvreur, vérifiée par les théories à variables cachées locales, ce qu'Alain Aspect avait effectivement observé.

Dans le cas qui nous occupe, les auteurs de l'article aujourd'hui publié dans la Physical Review Letters sous le titre "Quantum Contextuality in a Single-Neutron Optical Experiment", ont utilisé le fameux interféromètre à neutrons de l'Institut Laue-Langevin à Grenoble. L'originalité de l'expérience, outre d'utiliser des neutrons, était de construire un état emmêlé, dit de Bell, avec une seule particule ! Cette fois-ci, c'était l'état de mouvement dans l'espace de la particule qui était emmêlé avec l'état de spin, au lieu de l'état de spin avec deux particules différentes.

Dans le cas présent, on testait en plus une autre relation mathématique, le théorème de Kochen-Specker, qui donne des résultats différents selon que l'on utilise la mécanique quantique dans l'interprétation orthodoxe de Copenhague ou dans le cadre non contextuel.

Le résultat est tombé, le vainqueur est une fois de plus la mécanique quantique standard !

Même si l'emmêlement quantique entre différentes particules était considéré comme essentiel pour le traitement quantique de l'information, comme dans un ordinateur quantique par exemple, cette expérience semble démontrer que ce n'est pas une nécessité. Il s'agit en effet de différents degrés de liberté d'une seule particule et pas de deux particules avec le même degré de liberté. Une grande variété de systèmes quantiques pourrait donc être utilisée !

Hasegawa pense que des particules simples sont de bonnes candidates pour des processus quantiques de traitement de l'information « Le cas des neutrons est complètement différent de celui des photons, ils ont une masse et un spin demi-entier. Cette expérience montre qu'ils peuvent probablement être utilisés aussi bien pour des recherches fondamentales sur la mécanique quantique que pour des processus de traitement de l'information ». Et Hasegawa d'ajouter « J'espère que cette expérience fondamentale nous aidera à développer les technologies basées sur l'information quantique ».

Pourquoi pas donc, un jour, des ordinateurs à neutrons.

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