cryostat

Un bibliothécaire dans une réserve de livres rares prend un volume sur l'étagère et le remet en place sans réveiller le chat assoupi à côté. C'est à peu près ainsi que fonctionne la nouvelle mémoire quantique : elle capture un photon, le cache dans une vibration mécanique d'un minuscule pont de silicium, et le restitue à la demande.

La scène est baignée d'une lumière glaciale, et des spectateurs en silicium y sont alignés. Chacun est une matrice de minuscules diodes à avalanche, capables de détecter un photon unique, mais seulement si la température ambiante descend à 165 K.

Un bit magnétique qui bascule sous un léger souffle de courant, plutôt qu'avec un aimant puissant. C'est exactement ce que fait le nouveau dispositif de l'Institut des semi-conducteurs de l'Académie chinoise des sciences : un aimant lamellaire Fe3GaTe2 avec un canal en platine change d'état sous l'effet d'une brève impulsion électrique.

Un petit trou noir traverse un nuage d'hydrogène et étire les atomes comme un caramel. C'est ainsi qu'apparaît un supraconducteur lorsqu'un courant persistant y est piégé : la matière dans laquelle l'électricité circule sans perte se transforme en un aimant permanent miniature.

Fini le bain glacé, place à une chemise gazeuse chaude. C'est ainsi que l'on refroidit désormais le comparateur cryogénique de courant à l'Institut national de métrologie du Japon. Auparavant, cet appareil, qui compare les courants électriques avec une précision de l'ordre du milliardième, nécessitait une immersion dans l'hélium liquide.

Un laboratoire quantique ressemble à une cuisine où le cuisinier attend une journée entière que la cuisinière refroidisse. Les qubits supraconducteurs ne fonctionnent qu'à des températures de quelques centièmes de kelvin, et chaque cycle « refroidir – mesurer – réchauffer » engloutit une journée.

Dans le microscope qui voit les atomes individuels, règnent le froid et le silence : la température est d'environ -268°C et l'intérieur est sous vide parfait. Pour déposer des atomes de fer individuels sur une telle scène, il faut généralement un « couloir » direct entre l'évaporateur et l'échantillon.

L'eau chaude après une douche, l'air tiède de la ventilation, les parois chaudes d'un moteur : toute cette chaleur en dessous de 100 °C se dissipe généralement sans avoir fait le moindre travail. Désormais, on peut la capter et la transformer en électricité. Au cœur du nouveau dispositif se trouve un fil en alliage nickel-titane.

Les ordinateurs quantiques font des erreurs. Chaque qubit est comme une bille au bout d'un crayon : si la main tremble un peu, elle tombe. Pour éviter que les billes ne tombent, il faut quelqu'un qui remarque le tremblement et corrige à temps.

Dans le monde des particules quantiques, il y a des « introvertis » : les anyons. Ils ne ressemblent pas aux électrons ou aux protons habituels. Si l'on échange deux de ces « introvertis », ils se souviennent de cette manœuvre, comme s'ils laissaient une trace invisible.

Un ordinateur quantique à atomes neutres ressemble à une ville où les coursiers — les pinces laser — transportent physiquement les colis entre les adresses. Pendant qu'un coursier traîne un atome à travers la puce, les autres attendent. C'est lent et cela génère des erreurs. La nouvelle architecture remplace les coursiers par une onde radio commune.

Le thé chaud refroidit, la glace fond — la chaleur passe toujours du chaud au froid, et cette loi semblait inébranlable. Mais dans le monde quantique, même les règles familières peuvent être réécrites.

Deux danseurs sur scène doivent se mouvoir avec une synchronisation parfaite, mais si l'un d'eux hésite, tout le numéro est gâché.

Dans le monde quantique, les particules peuvent fusionner en un liquide unique qui s'écoule sans frottement. L'une de ses formes les plus mystérieuses est le liquide quantique fractionnaire de Hall.

Un morceau de sucre serré entre les doigts se réduira presque certainement en miettes plutôt que de se comprimer uniformément. Les concepteurs d'ordinateurs quantiques sont confrontés à un problème similaire. Ils doivent légèrement étirer ou comprimer de minuscules plaques de silicium, sur lesquelles on place ensuite les qubits.

Un transistor à effet de champ ordinaire ressemble à un robinet avec une poignée très sensible : on tourne un peu, et l'eau coule. Dans les entrailles froides d'un ordinateur quantique, où tout est refroidi presque au zéro absolu, un tel robinet doit s'ouvrir strictement sur commande.

Un aimant de la taille d'un grain de riz flotte dans le vide, sans toucher les parois. Il est maintenu par le champ magnétique d'un piège supraconducteur — un anneau refroidi dans un état où le courant circule sans résistance.

Dans une casserole de soupe, chaque grain est un minuscule aimant qui veut s'orienter à l'opposé de son voisin. Chauffez la soupe, et les petits aimants se mettent à s'agiter, obéissant à la chaleur. Mais comment savoir à quel point ils sont turbulents à chaque température ? Pour un matériau ordinaire, on le calcule sur des ordinateurs puissants en énumérant les possibilités.

Les lois quantiques règnent sans partage sur le monde microscopique, mais les objets macroscopiques se comportent généralement de manière classique : l'agitation thermique des atomes noie les effets quantiques.

Une minuscule bille d'un quart de milligramme, suspendue dans un champ magnétique et refroidie à presque zéro absolu, oscille pendant 110 heures sans s'arrêter – c'est un record d'isolation. La perte d'énergie est si faible que l'entropie du système n'augmente presque pas, et toute influence extérieure devient perceptible.

Les rangées de câbles qui s'étirent de la pièce chaude vers le réfrigérateur contenant la puce quantique évoquent un central téléphonique embrouillé du siècle dernier. Chaque qubit exigeait son canal analogique pour un réglage précis, et les câbles apportaient de la chaleur parasite et s'emmêlaient sous les mains.

Une clé USB ordinaire dans votre poche chauffe, même lorsqu'elle ne fait rien. Imaginez maintenant une mémoire qui, dans le froid, ne consomme presque rien — comme un thermos qui ne refroidit pas. Le supraconducteur conduit le courant sans pertes à la température de l'hélium liquide, mais il ne savait pas stocker de données.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer sa partition à la perfection, sinon la mélodie s'effondre. Autrefois, pour diriger les qubits – ces « musiciens » quantiques – il fallait une salle entière d'équipements, et chaque fil supplémentaire ajoutait du bruit.

Le cristal qui promettait de conduire le courant sans perte à température ambiante s'est révélé fragile comme un château de cartes : touchez-le, il s'effondre.

Un cristal de cuivre est comprimé dans une enclume de diamant. La pression augmente, et à l'intérieur du matériau se déroule une lutte entre deux états : l'un prépare les électrons à la supraconductivité, l'autre, au contraire, les empêche de s'associer. Les scientifiques ont suivi cette lutte à l'aide d'impulsions laser ultrabrèves.

Il faut observer un flocon de neige sans le laisser fondre ni l'abîmer. C'est à peu près le défi auquel sont confrontés les scientifiques qui veulent étudier des protéines individuelles, ces minuscules machines moléculaires du vivant.

Une aiguille métallique descend sur un morceau de supraconducteur. Tout se passe à l'intérieur d'un réfrigérateur qui refroidit l'échantillon à 30 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu — cent fois plus froid que l'espace interstellaire.

Un capteur qui cherche des particules rares, c'est un peu comme une oreille qui tenterait de saisir un murmure dans une pièce bruyante. Plus le signal est faible, plus il est difficile de le distinguer du bruit de fond.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition, mais si le chef d'orchestre lève trop fort sa baguette, les instruments les plus délicats se désaccordent à cause de la chaleur excessive.

Un glaçon dans le thé fond sans laisser de trace. De même, les systèmes quantiques oublient généralement rapidement leur passé. Mais en présence d'un fort désordre, la localisation à plusieurs corps apparaît – les particules semblent se figer, préservant la mémoire. L'expérience sur le processeur IBM à 144 qubits a duré 5000 cycles.

La supraconductivité est la capacité d'un matériau à conduire l'électricité sans perte. Les fils ordinaires chauffent et une partie de l'énergie se dissipe en chaleur, alors qu'un supraconducteur laisse passer le courant sans résistance.

Les matériaux quantiques sont comme des fleurs capricieuses : ils ne s'épanouissent que dans le froid. À température ambiante, ils cachent leurs propriétés inhabituelles, mais lorsqu'ils sont fortement refroidis, ils deviennent supraconducteurs ou changent de comportement magnétique.

Dans les laboratoires où l'on refroidit des atomes presque jusqu'au zéro absolu, la moindre variation du champ magnétique dérègle tout. Les capteurs habituels — plaques de Hall ou bobines à noyau de ferrite — sont placés à quelques centimètres de la chambre à vide, car ils créent eux-mêmes des perturbations.

De l'eau dans une casserole qui, au lieu de bouillir, se transformerait en glace. C'est à peu près ce que font des atomes ultrafroids dans un réseau optique — un treillis cristallin de lumière qui maintient les atomes en place.

Une fine pellicule de semi-conducteur d'un atome d'épaisseur ressemble à un appartement communautaire : y cohabitent des électrons chargés négativement et des « trous » chargés positivement.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien doit entrer en mesure. Le moindre froissement dans la salle déconcentre le violoniste, et la mélodie s'effondre.

Le sismomètre est l'oreille de la planète. Il capte les moindres frémissements du sol et les transforme en signal électrique. Mais cette oreille n'est pas parfaite : sa sensibilité dépend de la température.

Les molécules ultra-froides sont un matériau prometteur pour le calcul quantique, mais les rassembler en un réseau soigné, comme des œufs dans une boîte, n'est pas simple. Une méthode a été proposée pour charger une molécule à la fois dans des pinces optiques ou des réseaux, directement à partir d'un gaz.

À une température de 0,1 K — soit trois dixièmes de degré au-dessus du zéro absolu — la matière cesse d'obéir aux règles habituelles. L'hélium devient superfluide : il s'écoule sans frottement, s'infiltre à travers les fissures et se comporte comme un seul liquide quantique géant.

Un bit quantique, c'est comme une toupie qui doit tourner longtemps sans vaciller. Dans le germanium, on a appris à lancer ces toupies, mais le sol tremble toujours autour : les interférences électriques perturbent la rotation.