Une étude de l’Université de Bonn détermine le temps minimum pour les opérations quantiques complexes – Technoguide

Même dans le monde des plus petites particules avec leurs propres règles spéciales, les choses ne peuvent pas avancer infiniment vite. Les physiciens de l’Université de Bonn ont maintenant montré quelle est la limite de vitesse pour les opérations quantiques complexes. L’étude a également impliqué des scientifiques du MIT, des universités de Hambourg, de Cologne et de Padoue et du centre de recherche de Jülich. Les résultats sont importants pour la réalisation d’ordinateurs quantiques, entre autres.

Supposons que vous observiez un serveur (le verrouillage est déjà de l’histoire ancienne) qui, le soir du réveillon du Nouvel An, doit servir un plateau entier de verres à champagne quelques minutes avant minuit. Il se précipite d’invité à invité à toute vitesse. Grâce à sa technique, perfectionnée au fil de nombreuses années de travail, il parvient néanmoins à ne pas renverser une seule goutte du précieux liquide.

Une petite astuce l’aide à faire ça: pendant que le serveur accélère ses pas, il incline un peu le plateau pour que le champagne ne déborde pas des verres. A mi-chemin de la table, il l’incline dans la direction opposée et ralentit. Ce n’est que lorsqu’il s’est complètement arrêté qu’il le tient à nouveau debout.

Les atomes sont à certains égards similaires au champagne. Ils peuvent être décrits comme des ondes de matière, qui ne se comportent pas comme une boule de billard mais plutôt comme un liquide. Quiconque souhaite transporter des atomes d’un endroit à un autre le plus rapidement possible doit donc être aussi habile que le serveur du réveillon du Nouvel An. «Et même dans ce cas, il existe une limite de vitesse que ce transport ne peut pas dépasser», explique le Dr Andrea Alberti, qui a dirigé cette étude à l’Institut de physique appliquée de l’Université de Bonn.

Atome de césium comme substitut du champagne

Dans leur étude, les chercheurs ont étudié expérimentalement exactement où se situe cette limite. Ils ont utilisé un atome de césium comme substitut du champagne et deux faisceaux laser parfaitement superposés mais dirigés l’un contre l’autre comme un plateau. Cette superposition, appelée interférence par les physiciens, crée une onde de lumière stationnaire: une séquence de montagnes et de vallées qui initialement ne bougent pas. «Nous avons chargé l’atome dans l’une de ces vallées, puis mis en mouvement l’onde stationnaire – cela a déplacé la position de la vallée elle-même», explique Alberti. “Notre objectif était d’amener l’atome à l’emplacement cible dans les plus brefs délais sans qu’il se répande hors de la vallée, pour ainsi dire.”

Le fait qu’il y ait une limite de vitesse dans le microcosme a déjà été théoriquement démontré par deux physiciens soviétiques, Leonid Mandelstam et Igor Tamm il y a plus de 60 ans. Ils ont montré que la vitesse maximale d’un processus quantique dépend de l’incertitude énergétique, c’est-à-dire du degré de «liberté» de la particule manipulée par rapport à ses états énergétiques possibles: plus elle a de liberté énergétique, plus elle est rapide. Dans le cas du transport d’un atome, par exemple, plus la vallée dans laquelle l’atome de césium est piégé est profonde, plus les énergies des états quantiques dans la vallée sont réparties, et finalement plus l’atome peut être transporté rapidement. Quelque chose de similaire peut être vu dans l’exemple du serveur: s’il ne remplit les verres qu’à moitié (au grand dam des invités), il court moins de risques que le champagne déborde en accélérant et en décélérant. Cependant, la liberté énergétique d’une particule ne peut pas être augmentée arbitrairement. “Nous ne pouvons pas rendre notre vallée infiniment profonde – cela nous coûterait trop d’énergie”, souligne Alberti.

Téléphonez-moi, Scotty!

La limite de vitesse de Mandelstam et Tamm est une limite fondamentale. Cependant, on ne peut l’atteindre que dans certaines circonstances, à savoir dans des systèmes avec seulement deux états quantiques. «Dans notre cas, par exemple, cela se produit lorsque le point d’origine et de destination sont très proches l’un de l’autre», explique le physicien. “Ensuite, les ondes de matière de l’atome aux deux endroits se chevauchent, et l’atome pourrait être transporté directement à sa destination en une seule fois, c’est-à-dire sans aucun arrêt entre les deux – presque comme la téléportation dans Starship Enterprise de Star Trek.”

Cependant, la situation est différente lorsque la distance atteint plusieurs dizaines de largeurs d’onde de matière comme dans l’expérience de Bonn. Pour ces distances, la téléportation directe est impossible. Au lieu de cela, la particule doit passer par plusieurs états intermédiaires pour atteindre sa destination finale: le système à deux niveaux devient un système à plusieurs niveaux. L’étude montre qu’une limite de vitesse plus basse s’applique à de tels processus que celle prédite par les deux physiciens soviétiques: elle est déterminée non seulement par l’incertitude énergétique, mais aussi par le nombre d’états intermédiaires. De cette manière, les travaux améliorent la compréhension théorique des processus quantiques complexes et de leurs contraintes.

Les découvertes des physiciens sont importantes, notamment pour l’informatique quantique. Les calculs possibles avec les ordinateurs quantiques sont principalement basés sur la manipulation de systèmes multi-niveaux. Les états quantiques sont cependant très fragiles. Ils ne durent qu’un court laps de temps, que les physiciens appellent temps de cohérence. Il est donc important de regrouper autant d’opérations de calcul que possible dans ce temps. «Notre étude révèle le nombre maximum d’opérations que nous pouvons effectuer dans le temps de cohérence», explique Alberti. “Cela permet d’en faire un usage optimal.”

L’étude a été financée par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) dans le cadre du Centre de recherche collaboratif SFB / TR 185 OSCAR. Le financement a également été fourni par la Fondation Reinhard Frank en collaboration avec la société allemande Technion et par le service allemand d’échanges universitaires.

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