En 1963, un écolier tanzanien, Erasto Mpemba, a remarqué que la crème glacée chaude gèle plus vite que la froide. Ce paradoxe, qui porte son nom, a longtemps alimenté les débats en thermodynamique classique. Aujourd'hui, le monde quantique propose sa propre version : un état dont la symétrie est plus fortement brisée peut la rétablir plus vite qu'un état moins brisé. C'est l'effet Mpemba quantique, une course des symétries où celui qui s'est le plus écarté franchit le premier la ligne d'arrivée.

Sur un processeur supraconducteur à 16 qubits avec une topologie en anneau, les chercheurs ont organisé cette course dans des conditions contrôlées. 14 qubits formaient une chaîne où les couplages proches étaient réalisés par des éléments capacitifs et les couplages lointains via un résonateur central ajustable. Le rapport entre couplage proche et lointain, r, variait de 10 à 1, ce qui permettait de basculer entre des régimes de forte localisation et de thermalisation. Les états initiaux, des produits de Néel inclinés et ferromagnétiques avec des angles d'inclinaison π/4 et π/2, brisaient la symétrie de différentes manières. Pour mesurer l'asymétrie d'intrication (une mesure de l'écart par rapport à un état symétrique), on a effectué une tomographie quantique d'un sous-système de trois qubits : 27 bases de mesure, reconstruction de la matrice densité par moindres carrés avec contraintes physiques, puis projection sur les secteurs de charge et calcul de la différence des entropies de von Neumann.

Les résultats montrent que l'effet n'est pas constant, mais dépend des conditions. Dans le régime de couplages proches forts (r≈10), les courbes d'asymétrie d'intrication pour les états avec des angles π/4 et π/2 se croisent : l'état avec la plus grande brisure de symétrie la rétablit plus vite, un signe clair de l'effet. Dans le régime intermédiaire (r≈1), le croisement disparaît : l'asymétrie décroît de manière monotone et l'entropie d'intrication atteint la valeur de Page, ce qui indique une suppression de l'effet lors de la thermalisation. Cependant, on a réussi à faire revenir l'effet de deux manières : en introduisant un potentiel linéaire sur les sites (W=6 MHz), qui supprime l'ergodicité plus fortement pour le plus petit angle d'inclinaison, et en partant d'états ferromagnétiques inclinés, où la dynamique se réduit au modèle de Lipkin-Meshkov-Glick. Dans le second cas, le croisement persiste même en présence d'un fort désordre sur les sites (distribution uniforme dans la plage ±14g), contrairement aux expériences précédentes sur pièges à ions.

Ce travail n'est pas qu'une simple démonstration d'exotisme. Il montre que l'effet Mpemba quantique est une propriété contrôlable de la dynamique hors équilibre. Contrairement aux études voisines où l'effet était observé dans une seule configuration, on démontre ici une modulation multidimensionnelle : modification de la portée des couplages, des potentiels locaux et des états initiaux. Cela fournit des leviers universels pour contrôler la relaxation et relie le rétablissement de la symétrie à la thermalisation et à l'ergodicité. L'utilité pratique pourrait se manifester dans l'accélération de la réinitialisation des qubits et la préparation d'états quantiques, des opérations critiques pour les ordinateurs quantiques.

Les perspectives sont vastes. Les directions possibles incluent l'étude de l'effet dans le régime de préthermalisation, avec d'autres symétries (Z₂, SU(2)), ainsi qu'avec des hamiltoniens brisant la symétrie. Il serait intéressant d'explorer le lien avec la réinitialisation accélérée des qubits et la préparation d'états. La course des symétries ne fait que commencer, et nous avons désormais une piste sur laquelle on peut changer les règles.