états de Bell

Le gâteau en couches de disulfure de molybdène MoS2 repose sur la paillasse du laboratoire. On le prépare de la manière habituelle : un ruban adhésif arrache les couches supérieures pour obtenir un échantillon mince. Mais sous le ruban subsiste une cavité invisible, où les étages atomiques ne sont plus pressés les uns contre les autres.

La communication quantique ressemble à l'envoi d'une lettre secrète qui se déchire à la moindre tentative d'espionnage. Jusqu'à présent, on ne pouvait envoyer cette lettre que par une seule route, ce qui est lent.

Les systèmes quantiques composés de nombreuses particules sont à la base des futurs ordinateurs et des réseaux sécurisés. Mais plus il y a de particules, plus il est difficile de comprendre comment elles sont organisées : le nombre d'états possibles augmente de façon exponentielle. La méthode habituelle, qui consiste à tout mesurer, prend un temps considérable.

En 1996, des physiciens se sont demandé : combien de bruit un canal quantique peut-il supporter avant de cesser de transmettre de l'information ? Une conversation téléphonique où un mot sur trois est remplacé par un bruit aléatoire reste compréhensible. Jusqu'à quel niveau d'interférence l'interlocuteur saisit-il le sens ?

Un ordinateur quantique n'est pas simplement un ensemble de qubits, mais une véritable ville où chaque habitant est l'un des états possibles de la machine. Les habitants se rencontrent grâce aux faibles interactions entre qubits : si un état peut se transformer en un autre, un fil de connaissance se tisse entre eux.

Dans une salle de mille spectateurs, les applaudissements se fondent en un bruit collectif, mais si quelqu'un perd le rythme, une onde parcourt l'assistance. Le monde quantique fonctionne de la même manière : les atomes piégés peuvent se comporter comme un tout cohérent ou se disperser en individus indépendants.

Un immense puzzle dont chaque pièce est une particule quantique. Pour assembler l'image, il ne suffit pas de relier les pièces, il faut les intriguer d'une manière particulière. Habituellement, on procède en appliquant soigneusement les opérations une par une — comme si vous assembliez un puzzle en suivant strictement les instructions, rangée par rangée.

L'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau tiède – ce fait étrange est connu sous le nom d'effet Mpemba. On a maintenant trouvé quelque chose de similaire dans le monde quantique : un état avec une intrication faible (un lien quantique particulier entre particules) peut surpasser un état plus intriqué sur le chemin vers le but.

Un mince fil d'argent long comme un cheveu, et pourtant, les lois quantiques pures y règnent. Des physiciens ont construit un conducteur où les électrons ne peuvent se déplacer que vers l'avant ou vers l'arrière, comme sur une route à voie unique parfaitement droite, sans accotement.

Sept danseurs entrent en scène. Ils se tiennent par la main de sorte que n'importe quel trio ou quatuor évolue en parfaite harmonie avec les autres — aucun groupe ne sort du rythme général. Dans le monde quantique, on appelle cela un état maximalement intriqué (AME en abrégé). C'est un nœud parfait où chaque partie connaît tout du tout.

Le vide quantique n'est pas vide : il est parcouru d'intrication, reliant des régions éloignées. Mais lorsque les physiciens tentaient de calculer cette intrication, elle s'avérait infinie. La cause : des particules de très faible énergie qui peuvent s'étaler sur un volume arbitrairement grand. Elles sont comme des vagues sans rivage.

Les réseaux quantiques du futur rappellent la tour de Babel : chaque nœud parle son propre dialecte. Certains stockent l'information dans la polarisation du photon — la direction d'oscillation de l'onde lumineuse.

Une molécule polaire ressemble à un minuscule haltère avec des charges différentes à ses extrémités. En général, ces particules se collent ou se dispersent rapidement lors d'une rencontre — les forces électriques sont trop fortes. Mais les auteurs de l'étude ont trouvé un moyen de transformer cette agressivité en un jeu contrôlé.

On coupe une chaîne de spins, et voilà qu'apparaissent sur les bords des particules sans gap d'énergie. On les appelle modes zéro, et ils ne vivent qu'à la frontière. Autrefois, on les comptait à l'aide d'invariants topologiques complexes, mais voici qu'une méthode plus simple a vu le jour.

Si l'on accélère un observateur à une vitesse proche de celle de la lumière, le vide autour de lui cesse d'être froid. Une lueur thermique apparaît — un effet prédit en 1976 et nommé d'après William Unruh. Pour les accélérations terrestres, cette lueur est incroyablement faible, comme un murmure dans un concert de rock.

Les puces neuromorphiques fonctionnent différemment des ordinateurs classiques, construits selon les plans de John von Neumann, avec une mémoire et un processeur séparés.

Un ordinateur quantique repose sur deux forces : l'intrication (les particules se comportent comme un tout) et la « magie » — une mesure de la distance d'un état par rapport à la physique classique habituelle.

L'intrication quantique — un phénomène où les états de deux ou plusieurs particules sont corrélés indépendamment de la distance qui les sépare — lie généralement des propriétés internes comme le spin ou la polarisation.

Dans les cristaux, nous sommes fascinés par l'ordre spatial parfait : les atomes sont figés aux nœuds du réseau, comme des perles sur un fil invisible. Mais que se passerait-il si une telle symétrie se manifestait dans le temps ?

Deux nageurs synchronisés plongent dans la mer. L'un tombe dans une zone calme, l'autre dans un tourbillon. Leurs mouvements, parfaitement coordonnés au départ, divergent. C'est à peu près ce qui arrive à deux particules quantiques lorsque l'une se déplace dans un espace plat et l'autre dans un espace courbe.

Une cellule vivante émet en permanence de faibles signaux magnétiques, comme des murmures. Les scientifiques écoutent ces murmures avec deux « micros » microscopiques – des capteurs de champ magnétique.

L'électron et son antipode — le positron, prédit par Paul Dirac —, lorsqu'ils se rencontrent, forment un instant le positronium : une minuscule paire qui tourne l'un autour de l'autre, comme dans un atome, mais sans noyau.

L'enchevêtrement quantique se comporte souvent comme une danse synchronisée qui n'est visible que sous un certain angle. Dès que l'on change la façon d'observer, les particules semblent désunies. Cela limite les communications sécurisées.

On peut enfermer la lumière ou le son dans une zone minuscule d'un cristal, comme une perle dans sa coquille. Habituellement, on utilise deux méthodes. La première ressemble à une boule lourde dans un creux : une particule de grande masse ne peut tout simplement pas en sortir. La seconde est une cage idéale faite de miroirs, où les ondes s'annulent partout sauf dans le piège.

Un trou noir ressemble à un coffre-fort qui restitue lentement son contenu — énergie et information — via une faible lueur appelée rayonnement de Hawking. Mais si le coffre s'ouvre trop vite, un « mur de feu » peut s'embraser à sa frontière — une région où les lois habituelles de la physique cessent de fonctionner.

Les neutrinos sont de véritables fantômes du monde microscopique. Presque sans masse, sans charge, ils traversent les planètes comme si elles étaient vides. Mais à l'intérieur de chaque neutrino se cache non pas une particule, mais trois — trois « saveurs » (électronique, muonique et tau) qui se transforment constamment les unes dans les autres.

Un nuage d'atomes de rubidium est piégé dans une lumière. Des lasers et des champs magnétiques l'organisent à la manière d'un réseau cristallin, mais ici les mailles ne mesurent pas des fractions de millimètre, mais des fractions de micromètre.

Trois danseurs évoluent comme un seul corps : chacun ressent tous les autres, et l'harmonie globale ne se réduit pas aux interactions individuelles. C'est à peu près le comportement de trois particules nées d'une collision entre un électron et un positron à vitesse de la lumière.

Deux particules séparées de kilomètres changent d'état de manière coordonnée, comme si la distance n'existait pas. C'est ce qu'on appelle l'intrication quantique, et depuis sa découverte, elle laisse les physiciens perplexes : aucun porteur connu ne peut se déplacer plus vite que la lumière, et pourtant les corrélations apparaissent…

Deux dés à jouer reposent dans des pièces différentes. S'ils sont « intriqués », le lancer de l'un détermine instantanément le résultat de l'autre, même à distance. Dans le monde quantique, ce lien s'appelle la dirigeabilité : une partie, en effectuant des mesures chez elle, semble dicter l'état à son partenaire.

L'eau chaude gèle parfois plus vite que l'eau froide — c'est l'effet Mpemba. Dans le monde quantique, un paradoxe similaire se manifeste : plus l'équilibre est rompu, plus vite il se rétablit.

Tout instrument de mesure est perturbé par le bruit quantique — ce frémissement chaotique des particules élémentaires. Pour l'apprivoiser, des physiciens ont appliqué aux molécules de fluorure de calcium une astuce comparable à la compression d'un ballon de baudruche : on appuie à un endroit, et cela gonfle à un autre.

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition sans écouter les autres. Soudain, sans ordre visible, les voisins de pupitre commencent à se synchroniser parfaitement, mais la mélodie commune n'existe pas encore.

Imaginez une bibliothèque où, au lieu de livres, se trouvent toutes les combinaisons imaginables de quelques dizaines de particules quantiques. Le nombre de ces combinaisons croît comme une boule de neige : ajoutez une particule — et le volume double. Pour une cinquantaine de particules, il y a plus d'étagères que d'atomes dans l'Univers visible.

L'eau ordinaire gèle comme prévu. Mais parfois, l'eau chaude se transforme en glace plus vite que l'eau froide — c'est l'effet Mpemba. Récemment, une violation similaire des règles a été observée dans l'intrication quantique — ce lien invisible entre particules découvert par Erwin Schrödinger.

Deux photons intriqués s'éloignent dans des directions opposées, mais continuent de se comporter comme un seul ensemble : la mesure de l'un détermine instantanément l'état de l'autre. C'est cela, l'intrication quantique. Cependant, elle ressemble parfois à un espion expérimenté : elle ne laisse aucune trace visible lors d'un contrôle ordinaire.

Avant d'assembler un immense puzzle, il faut fabriquer les pièces en série – sinon l'image ne se forme pas. Dans les ordinateurs quantiques à fusion, ces pièces sont de minuscules paquets de lumière : les états ressources photoniques. On les fait entrer en collision et on les mesure pour tisser progressivement la trame de calcul.

Quatre minuscules flaques, et dedans barbotent des gouttelettes de superfluide. Ces gouttelettes sont des atomes refroidis à presque zéro absolu et appariés comme de petits aimants. Lorsque l'ensemble tourne, le liquide s'écoule entre les flaques. Il suffit de compter combien de gouttelettes se trouvent dans chacune — et l'angle et la vitesse de rotation deviennent connus.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition, mais dès qu'un instrument déraille, la mélodie s'effondre. Les erreurs surviennent constamment : à cause des vibrations thermiques, de l'imperfection des instruments.

À la surface d'une minuscule boule vivent deux champs invisibles — comme deux types de rides sur une bulle de savon. Ces champs ne se contentent pas d'osciller tout seuls : ils s'influencent constamment, à la manière de musiciens jouant à l'unisson.