Si vous portez une tasse de café à travers une pièce, lentement et régulièrement, puis revenez au même endroit, il n'arrivera rien à la boisson. Mais dans le monde quantique, tout est différent : une particule qui effectue un tel aller-retour ne revient pas tout à fait identique. Elle acquiert un « supplément » insaisissable — la phase géométrique, que les physiciens appellent phase de Berry. Cet ajout ne dépend que de la forme du trajet, et non du temps de parcours.
Jusqu'à présent, toutes les discussions sur la phase de Berry se déroulaient comme si notre café quantique ne refroidissait jamais. Mais les systèmes réels échangent toujours de la chaleur et des particules avec leur environnement — c'est comme porter une tasse dans un courant d'air. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont pour la première fois mesuré la phase de Berry complète, complexe, d'un atome artificiel sur une puce supraconductrice, où les pertes n'étaient pas un désagrément, mais une partie intégrante du dispositif. Il s'avère que la phase possède une moitié « imaginaire » directement liée à l'intensité de l'atténuation de l'état quantique en cours de route.
L'expérience a été réalisée sur un qubit supraconducteur — une minuscule antenne en aluminium sur un substrat de silicium, refroidie à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. À l'aide d'impulsions micro-ondes, le qubit a été « promené » le long de trajectoires fermées dans l'espace de ses paramètres internes, et une résistance spécialement ajoutée servait de fuite d'énergie contrôlée. En mesurant l'état du qubit à la fin de chaque boucle, les chercheurs ont extrait les deux parties de la phase — la réelle et l'imaginaire — et ont montré qu'elles se comportent différemment lorsqu'on inverse le sens de parcours.
La grande surprise est que la phase imaginaire peut être contrôlée en choisissant la trajectoire. En modifiant la boucle que suit le qubit, les physiciens ont pu amplifier ou atténuer l'amortissement sans toucher à l'environnement dissipatif lui-même. C'est comme un skieur qui peut dévaler la pente rapidement et avec le vent, ou bien zigzaguer pour prolonger la descente et avoir moins froid. Pour les technologies quantiques, cette astuce est précieuse : elle permet d'effectuer des opérations sur des états fragiles sans craindre qu'ils ne se décomposent prématurément.
L'idée même de phase géométrique en mécanique quantique n'a été reconnue qu'en 1984, bien qu'elle ait été prédite mathématiquement dès les années 1950. Dans le monde classique, un analogue de la phase de Berry est le pendule de Foucault, dont le plan d'oscillation tourne en raison de la rotation de la Terre.
Dans le roman « Anathem » de Neal Stephenson, les états quantiques sont utilisés pour effectuer des calculs dans des univers parallèles — les phases géométriques avec pertes contrôlées pourraient y servir de « gouvernail » pour naviguer entre les branches de la réalité.