qubit de charge

Dans une pièce silencieuse, sans le moindre aimant, deux électrons piégés dans du silicium ressentent quand même un léger frémissement. Il est créé par les noyaux des atomes de silicium et de germanium, qui tournent de manière chaotique, comme les aiguilles de boussoles cassées.

Un interprète dans une salle d'audience doit transmettre chaque mot sans se laisser distraire par le bruit ambiant. Dans le monde quantique, ce rôle est joué par un résonateur supraconducteur, qui doit perdre des photons selon un calendrier strict, sans dévier vers des effets parasites.

Dans un couloir étroit, les gens ne marchent pas en foule mais en rangées. Le nombre de rangées dépend de la largeur du passage. Dans le graphène, ce couloir est joué par un contact ponctuel quantique — une constriction où les électrons se déplacent balistiquement, sans diffusion.

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.

À basse température, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs : le courant circule sans résistance. Mais comment cela se produit-il si les électrons étaient d'abord piégés dans un isolant ?

Goutte à goutte du robinet — ou jet régulier sans une seule éclaboussure. C'est à peu près ainsi que se présentent les deux régimes de courant dans un contact supraconducteur. Seulement, au lieu de l'eau, ce sont des paires de Cooper — des électrons liés qui se déplacent sans résistance.

Un résonateur vide n'est pas tout à fait vide. Même dans le vide absolu, où il n'y a aucun photon, subsistent des fluctuations quantiques. Elles ressemblent à des rides sur l'eau par temps calme : la surface paraît lisse, mais les molécules continuent de trembler.

Dans les supraconducteurs, les électrons s'associent en paires et circulent sans résistance. Habituellement, ces paires sont réparties uniformément, comme l'eau d'un lac calme. Mais parfois, une ondulation apparaît dans le matériau — les paires se condensent et se raréfient avec un pas déterminé. Cet état est appelé supraconductivité à onde de densité de paires.

Un piège lumineux maintient un atome presque immobile, comme une bille sur un ressort souple. Mais dès qu'une accélération apparaît, par exemple la force de gravité, l'équilibre se déplace. L'atome se déplace dans l'onde stationnaire lumineuse, et cela modifie le rythme auquel il échange de l'énergie avec le champ.

Des alvéoles remplies de « miel » électronique. À l'état normal, les électrons se déplacent de manière désordonnée, mais lors d'un fort refroidissement, ils peuvent s'associer en paires — c'est ainsi que naît la supraconductivité.

Les qubits supraconducteurs sont le cœur battant des ordinateurs quantiques, mais leur rythme est perturbé par la décohérence : la quantique se dissout dans le bruit.

La supraconductivité est souvent imaginée comme une danse figée d'électrons : ils s'associent en paires et se déplacent sans résistance, tels des patineurs sur une glace parfaite. Mais dans les supraconducteurs à haute température, cette glace s'avère moins lisse qu'il n'y paraît.

La vieille question du démon de Maxwell — une créature intelligente peut-elle contourner la deuxième loi de la thermodynamique et pomper la chaleur du froid vers le chaud ? — trouve un nouvel écho dans le monde quantique.

Dans le cristal CsV3Sb5-xSnx, qui devient supraconducteur à basse température, le courant ne circule pas comme un flux continu mais le long de chemins étroits et sinueux. Pour les visualiser, on a utilisé un microscope à balayage équipé d'un capteur magnétique sensible : il détecte les moindres courants, comme un sondeur qui sonderait le fond.

Dans certains matériaux, le courant électrique peut circuler sans la moindre perte : c'est la supraconductivité. Mais avant de devenir supraconducteur, un matériau passe souvent par un état étrange : les électrons se perçoivent déjà et forment des paires, mais ne peuvent pas encore se déplacer de concert.

À l'aide de la spectroscopie laser — une méthode que l'on peut comparer à l'écoute de l'écho d'un cristal — les physiciens ont étudié un matériau en couches. Ils ont trouvé des zones où les électrons se déplacent librement (les poches de Fermi) et ont remarqué que chacune de ces zones se comporte différemment.

Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons massive, où une cuillère à café de matière pèse comme une montagne, les quarks sont compressés à une proximité inimaginable.

Trois cordes de guitare sur un même instrument, mais les chevilles de chacune tournent avec une force différente : l'une cède immédiatement, l'autre tourne difficilement, et la troisième se bloque carrément.

Une balançoire peut se balancer fortement ou à peine perceptible. Habituellement, si on n'y touche pas, elle reste dans le mode choisi. Mais dans le monde microscopique, c'est différent : une minuscule membrane, oscillant sous l'effet d'un faisceau laser, peut spontanément sauter d'une amplitude à une autre.

Deux interprètes simultanés sont assis dans la même cabine. Le premier traduit de l'anglais vers le russe, mais avale la moitié des mots. Le second traduit du russe vers le français, et perd aussi la moitié. Si on les met ensemble, on pourrait penser que cela donnera un mélange confus : les pertes s'additionnent, et l'auditeur ne recevra qu'un quart du sens.

Les batteries ordinaires perdent leur charge comme un thé qui refroidit. La batterie quantique, elle, fonctionne autrement : son cœur est une minuscule cavité où s'agitent des photons.

La piste de danse est pleine : chacun se déplace à sa guise, personne ne se tient par la main. Soudain, la musique devient plus forte et plus rythmée — les voisins commencent à s'attraper, formant des couples qui tournoient en synchronie.

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.

Une batterie ordinaire de téléphone accumule de l'énergie dans les liaisons chimiques — lentement, avec échauffement et usure. Le condensateur quantique, lui, fonctionne autrement : il se charge non par la matière, mais par le rythme.

Une pierre tombe dans un étang, des cercles se propagent à la surface. En physique, une loi de conservation similaire s'applique à l'énergie et à l'impulsion : ce qui était là reste là. Mais dans un espace-temps courbe, où la gravitation règne en maître, définir des grandeurs conservées est plus délicat.

Dans un supraconducteur, les électrons s'associent en paires, comme des danseurs qui se tiennent par la main. Habituellement, la distance entre eux — la taille de la paire — dépend de leur vitesse et de la force de leur liaison. Mais parfois, la piste de danse disparaît presque, et il n'y a plus de place pour bouger.

Un bus bondé où chaque passager est un électron. Dans un supraconducteur, les passagers s'associent en paires et se déplacent de manière coordonnée, sans perte d'énergie. Mais dans les supraconducteurs à haute température, comme les cuprates, cette idylle ne fonctionne que si l'on ajoute des passagers supplémentaires.

Dans le monde des supraconducteurs, les électrons n'aiment pas la solitude. D'habitude, ils s'associent en paires — les paires de Cooper — et se déplacent sans résistance, comme des patineurs artistiques se tenant par la main. Mais on peut les faire danser à quatre.

Quatre musiciens jouent en harmonie seulement s'ils se tiennent par la main. Dans le monde quantique, une telle chaîne est formée par quatre électrons dans quatre boîtes quantiques adjacentes — de minuscules pièges à charge. C'est la base du qubit SAGE (de l'anglais « always-on exchange on singulets »).

Le cristal du composé d'uranium UTe2 ressemble à un gâteau en couches où les électrons circulent sans résistance. Mais si l'on observe sa surface au microscope, on voit des ondulations — comme des vagues sur l'eau après qu'on y a jeté une pierre.

Dans les batteries quantiques, la charge peut être accélérée en mélangeant les étapes dans le temps, comme on bat un jeu de cartes. Au lieu d'une croissance régulière de l'énergie, on observe de violentes explosions d'efficacité, comme des supernovae microscopiques au sein des atomes.

Dans un résonateur supraconducteur, la lumière ne se contente pas de se réfléchir : elle enlace le qubit si étroitement que leur danse commune ne peut plus être décrite par les vieux manuels.

Un qubit supraconducteur ordinaire ressemble à une balançoire que le moindre coup de vent fait osciller. La moindre variation de charge électrique à proximité suffit à corrompre l'état quantique.

Un ordinateur quantique, c'est un peu comme un orchestre où chaque qubit est un musicien qui joue sa partition. Mais de temps en temps, un rayon cosmique fait irruption dans la salle, et le violoniste sursaute, perdant le rythme.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien doit jouer sa note sans fausser. Mais les qubits supraconducteurs ont un problème commun : des charges aléatoires s'accumulent sur leurs électrodes, et la « note » dérive.

Un ordinateur quantique à spins d'électrons ressemble à une rangée de minuscules toupies. Chaque toupie tourne soit dans le sens horaire, soit dans le sens antihoraire — c'est ce qu'on appelle un qubit. Pour connaître le résultat d'un calcul, on arrête généralement la toupie et on regarde de quel côté elle est tombée.

L'effet Hall quantique a longtemps été soupçonné de superfluidité — la capacité de s'écouler sans frottement. Imaginez un chef qui suit une recette : pour chaque unité de flux magnétique, il doit ajouter exactement un certain nombre d'électrons.

Une goutte de métal sur un semi-conducteur, c'est comme une île dans la mer. Pour atteindre cette île, un électron doit payer un "droit de passage" : franchir une barrière qui apparaît parce que l'île est minuscule et que chaque charge supplémentaire modifie fortement son énergie. Ce phénomène s'appelle le blocage de Coulomb.

Une batterie quantique est un dispositif qui emmagasine de l'énergie dans les états quantiques des particules. Dans cette nouvelle étude, la batterie a été modélisée par une paire de qubits — les plus petits porteurs d'information, capables d'être dans l'état « zéro », « un » ou un mélange des deux.

Dans certains matériaux, le courant électrique circule sans la moindre résistance. Ce sont les supraconducteurs, et ils ne fonctionnent que par grand froid. Les oxydes de cuivre sont un cas particulier : ils conservent la supraconductivité à des températures plus élevées, mais pourquoi ?