décohérence des qubits

La vague déferle sur la plage non pas en un front régulier, mais en langues d'écume qui tantôt fusionnent, tantôt se séparent. Les champs magnétiques à l'intérieur des matériaux se comportent de façon semblable : ils respirent en ondes, et jusqu'ici personne ne les avait vus dans leur ensemble.

Trois voix qui se fondent en un seul accord. En physique des matériaux quantiques, cette image prend un sens littéral : trois couches de graphène, séparées par de minces espaceurs, forcent les électrons et les trous de différentes couches à se déplacer comme un seul liquide.

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.

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 ordinateur quantique ressemble à un flocon de neige fragile posé sur une paume chaude. Le moindre souffle de chaleur ou une légère vibration – et il se transforme en goutte. Pour que le flocon survive, on le corrige constamment, en restaurant sa forme initiale. C'est ce qu'on appelle la correction d'erreurs quantiques.

Un minuscule défaut dans un cristal de diamant agit comme un microphone sensible qui capte les moindres champs magnétiques. C'est ainsi que fonctionnent les capteurs à centres azote-lacune (lorsqu'un atome d'azote et une lacune voisine forment un système quantique).

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.

À l'aube des temps, l'Univers a connu un bref instant d'expansion effrénée : l'inflation. Les infimes frémissements quantiques de l'espace-temps ont été étirés jusqu'à des échelles cosmiques.

L'horizon cosmologique — la limite de l'univers observable, qui est en expansion accélérée — ressemble à un coffre-fort à minuterie. L'information sur ce qui franchit cette frontière ne disparaît pas, elle revient, mais avec un délai. Des physiciens ont déterminé la durée de cette pause.

Le monde quantique aime l'équilibre. Lorsqu'on force une particule massive à se dédoubler — à suivre deux chemins à la fois — quelque chose doit bouger en retour. Ce « quelque chose », c'est l'appareil lui-même qui a séparé la particule.

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 ?

Dans le microcosme, le bruit — les fluctuations aléatoires — détruit habituellement les états quantiques fragiles, comme les rides de l'eau brisent le reflet dans une flaque. Cependant, dans certains systèmes, le bruit collectif et coordonné de nombreuses particules produit l'effet inverse : un flux unidirectionnel stable émerge.

L'inflation est l'expansion rapide de l'Univers naissant, lorsque les fluctuations quantiques ont été étirées à des échelles cosmiques. Le Fond diffus cosmologique est la lumière fossilisée de cette époque, les ombres sur le mur de notre caverne cosmique.

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.

Le noyau atomique ressemble à un bus bondé. Pour faire de la place, un groupe de deux protons et deux neutrons – le noyau d'hélium, la particule alpha – sort par la porte avant : c'est la désintégration alpha, décrite par George Gamow comme un tunnel sous la barrière d'énergie.

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.

Une particule quantique peut être dans deux états à la fois — comme une pièce qui tourne, à la fois pile et face. Près d'un trou noir, l'horizon des événements — là où la courbure de l'espace-temps courbe l'espace et le temps à l'extrême — agit comme une porte à sens unique.

Les bits quantiques (qubits) sont comme une musique fragile dans un atelier bruyant. Les champs magnétiques environnants ne cessent de « brouiller » leur état quantique, transformant un signal ordonné en cacophonie.

Les batteries quantiques exploitent les effets quantiques pour contourner les limites des dispositifs ordinaires liées à l'entropie – cette mesure du désordre et des pertes d'énergie. C'est comme un seau sous un puissant jet d'eau : le remplissage est fulgurant.

Un tourbillon de café peut s'étendre sur deux endroits dans une tasse – un flou de liquide tourbillonnant. Les particules quantiques se comportent de manière similaire : un tourbillon d'espace-temps où elles existent à deux endroits à la fois. Mais la gravité agit comme la cuillère qui remue le tissu de l'espace et du temps.

Deux boîtes aux lettres à deux extrémités d'une ville. Vous déposez une lettre dans l'une, et une lettre identique apparaît instantanément dans l'autre. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'intrication quantique : deux particules se comportent comme un seul ensemble, même si on les sépare loin l'une de l'autre.

Le monde quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien – une particule – joue sa partition, et ensemble ils créent une symphonie harmonieuse. Mais dès que du bruit apparaît dans la salle – des cliquetis aléatoires et des interférences – la mélodie commence à dériver.

Deux pendules sur une table stable oscillent indépendamment. Si on les place sur une surface instable, les vibrations synchronisent leur mouvement. Le même principe a fonctionné sur une puce en silicium avec des photons. Les scientifiques ont créé deux sources de lumière émettant des paires de particules.

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas traiter. Mais leurs composants – les bits quantiques – sont très sensibles. Une variante de ces bits est un circuit oscillant qui peut se trouver dans deux états, comme un pendule qui oscille à gauche ou à droite.

La lumière qu'émet un atome n'est pas qu'un simple flash. Elle porte l'empreinte de l'état dans lequel se trouvait l'atome au moment de l'émission. Des physiciens ont pris un qubit supraconducteur — un atome artificiel de la taille d'une puce électronique — et l'ont fait briller dans un guide d'ondes ouvert, comme une ampoule dans un long couloir.

Une boîte quantique de la taille d'un virus, prise en sandwich entre deux miroirs, donne naissance à deux photons lors d'un bref éclair de lumière.

Un bit quantique ordinaire est détruit par la moindre perturbation — chaleur, champ magnétique. Des physiciens ont fait travailler une paire d'atomes pour que le désordre n'efface pas l'enregistrement.

Des physiciens ont trouvé les lois exactes selon lesquelles la liaison quantique se mélange dans les systèmes chaotiques. Dans un modèle soumis à des impulsions rythmiques — comme un cuisinier qui pétrit sa pâte — ils ont étudié la croissance de l'entropie d'intrication, mesure du désordre quantique.

En général, le courant électrique est identique dans les deux sens, comme l'eau dans un tuyau droit. Mais à la frontière entre un métal ordinaire et un supraconducteur, cette règle est brisée. Deux vagues sur l'eau, contournant un obstacle large par des côtés opposés, peuvent arriver avec des retards différents et se rencontrer « en décalage ».

Dans la théorie quantique, une particule peut courir simultanément sur deux sentiers. Lors d'une mesure, on ne la surprend que sur l'un d'eux. Selon Niels Bohr, toutes les autres possibilités disparaissent instantanément — comme une branche arrachée du tronc.

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.

Le thé chaud met généralement plus de temps à refroidir que le thé tiède, mais l'eau enfreint parfois cette règle : dès les années 1960, un écolier nommé Erasto Mpemba a remarqué que la glace chaude gèle plus vite que la glace froide.

Des physiciens ont pris 28 toupies quantiques — des particules dotées d'une rotation propre — et ont lancé sur un ordinateur quantique Richard Feynman un processus cyclique prédit par Werner Heisenberg il y a près de cent ans. Au début, chaque toupie tournait n'importe comment.

Dans le monde quantique, il est impossible de créer une copie de l'état inconnu d'une particule – c'est ce qu'ont établi William Wootters et Wojciech Zurek en 1982, et Charles Bennett a transformé cette interdiction en outil de protection des données.

Le qubit, cellule de calcul d'un ordinateur quantique, ne vit que quelques fractions de milliseconde avant d'oublier son état.

L'information quantique est fragile : le moindre bruit peut la détruire. C'est pourquoi deux méthodes de protection ont été inventées. La première est le découplage dynamique : on applique des impulsions rapides sur les qubits, ce qui moyenne le bruit à zéro.

La lumière du soleil est un torrent impétueux qui charrie des paires de gouttelettes inséparables. Voilà à quoi ressemble l'intrication quantique : deux particules si liées que l'agitation de l'une se répercute instantanément sur l'autre.

Au Grand collisionneur de hadrons, en accélérant des particules à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, on produit des quarks top — les briques les plus lourdes du modèle standard.

Dans les circuits supraconducteurs qui composent les ordinateurs quantiques, des particules supplémentaires — les quasiparticules — naissent de temps à autre. Elles ressemblent à des passants imprévus qui font irruption dans le travail du processeur et gâchent les calculs.

L'eau calme d'un lac : la moindre ride en brouille la profondeur. De même, dans les capteurs quantiques, le bruit – les fluctuations aléatoires – engendre de l'entropie (du désordre) et tue la précision. Les physiciens ont trouvé une issue : brouiller l'ordre des événements.