manipulation d'un spin unique

Régler un récepteur radio sur une station qui change de fréquence lorsqu'on franchit une frontière de phase : c'est ainsi qu'on peut se représenter la tâche des chercheurs.

Un bateau en bouteille ne se monte pas de l'extérieur, mais de l'intérieur : on fait passer les mâts et les voiles par le goulot étroit, et une fois à l'intérieur du verre, ils se redressent d'eux-mêmes dans la bonne position.

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.

Une échelle dont les barreaux sont de minuscules aimants. Si les aimants voisins pointent dans des directions opposées, l'échelle est « calme ». Mais si on les force à pointer dans la même direction, toute la structure s'aimante et devient « têtue ».

Un atome d'erbium isolé repose sur un substrat d'argent, et son spin — la rotation interne de l'électron — stocke l'information quantique. Auparavant, pour inverser ce spin, il fallait une impulsion magnétique : un outil grossier qui affecte les voisins et fonctionne lentement.

Le cristal PbCuTe₂O₆ évoque une toile tridimensionnelle tissée de cuivre, de tellure et d'oxygène. À l'intérieur, les moments magnétiques (de minuscules flèches associées aux spins des électrons) sont si intrigués qu'ils ne parviennent pas à s'aligner dans un ordre conventionnel, même au voisinage du zéro absolu.

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.

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.

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.

Les chaînes de spin quantiques évoquent une file de personnes se transmettant une poignée de main secrète : chacun se tourne vers son voisin, et la force de la poignée détermine la manière dont l'onde se propage le long de la chaîne.

Certains matériaux ont une structure interne semblable à un ruban de Möbius : leurs états électroniques sont tordus d'une manière particulière. On essaie généralement de modifier ces propriétés topologiques à l'aide d'un champ magnétique puissant, comme si l'on tentait d'aplatir le ruban à coups de masse.

Une feuille de papier quadrillée, une feuille en losanges et une feuille en nid d'abeille : trois univers différents pour une fourmi. Changez la feuille, et les règles du mouvement changent. C'est à peu près ainsi que les électrons perçoivent le réseau cristallin : la géométrie dicte s'ils seront des aimants, des supraconducteurs ou autre chose.

Un minuscule cristal d'atomes chargés, piégé dans une trappe, tremble de chaleur. Chaque ion oscille comme une bille au bout d'un ressort, et ces vibrations gênent l'utilisation du cristal pour des opérations quantiques précises.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien — le qubit — doit jouer sa partition avec précision et en rythme. Habituellement, on installe les musiciens à des places fixes et on les relie par des pupitres-câbles.

Un minuscule défaut dans un cristal de nitrure de bore se comporte comme une petite lampe témoin. Lorsqu'on l'éclaire, il émet une lumière dont la teinte dépend de la température : plus il fait chaud, plus elle vire au rouge.

Un simulateur quantique à pièges à ions ressemble à un orchestre où chaque ion est un musicien et le bus de phonons (les oscillations collectives) est le chef d'orchestre qui transmet les signaux. Tant que tout le monde joue la même mélodie, tout se passe bien.

Dans le monde des atomes et des particules, tout tend vers le repos : les particules perdent de l'énergie, comme une balançoire qui ralentit à cause de la perte d'énergie (c'est-à-dire le frottement). Mais de nombreux appareils, des masers à hydrogène aux horloges atomiques, vivent grâce à des cycles répétitifs.

Un aimant ordinaire ressemble à une boussole : l'aiguille pointe vers le nord. Mais une boussole quantique peut regarder dans les deux directions à la fois.

Des centaines de toupies sont assises sur un manège. Chacune tourne sur elle-même, mais tout le manège tourne aussi. Le défi : toucher n'importe quelle toupie et faire pivoter son axe pendant qu'elle passe devant vous.

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.

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.

Chaque particule quantique possède un spin — une propriété magnétique intrinsèque, comme une minuscule aiguille. Dans une expérience, un faisceau de telles particules traversant un aimant se sépare en deux parties — comme une pièce qui retombe sur pile ou face.

Les réseaux quantiques ont besoin d'un intermédiaire entre le stockage – le spin – et le transport – la lumière. Aucune molécule unique n'avait réussi à remplir ce rôle. Mais des physiciens viennent de trouver une solution. Ils ont placé une molécule de carbène dans un cristal et l'ont refroidie à -269°C.

Un peigne passé dans les cheveux attire des morceaux de papier. Ce tour de physique élémentaire, des chercheurs ont décidé de l'appliquer à l'échelle microscopique pour piloter des vortex magnétiques appelés skyrmions.

Un conducteur tourne le volant pour que la voiture tourne. Dans le monde quantique, il existe aussi des « volants » : des paramètres externes que l'on fait varier lentement pour transporter des particules d'un endroit à un autre.

Sous la lumière du soleil, les molécules de la bactérie, telles les fouets d'un batteur de cuisine, capturent l'énergie et font tourner les électrons dans la bonne direction. Mais parfois, la rotation se dérègle – des particules « coincées » appelées triplets se forment.

Les minuscules aimants à l'intérieur des atomes — les spins nucléaires — peuvent « se figer » pendant de longues minutes dans un cristal froid. Cela gêne le réglage rapide des capteurs quantiques : tout met trop de temps à atteindre l'état souhaité. Des physiciens ont trouvé un moyen de les stimuler avec de la lumière.

Un spectromètre à neutrons ressemble à un géologue aveugle qui tâte la roche et devine ce qu'elle cache au son. Il envoie un faisceau de neutrons dans un cristal et observe comment ils se dispersent. Ce motif révèle comment oscillent les petits aimants atomiques – les spins. Mais où creuser et combien de temps écouter, c'était auparavant une décision humaine.

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.

Une foule se met soudain à bouger comme une seule personne. En physique, cela arrive avec les spins atomiques — de minuscules aiguilles magnétiques. Lorsque de nombreux spins se rassemblent et communiquent via un milieu commun, ils forment un grand aimant, ou macro-spin.

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 »).

Dans un piège à champs, des scientifiques ont assemblé un cristal de 150 ions à température extrêmement basse. Chaque ion se comporte comme un minuscule aimant capable de s'orienter dans toutes les directions.

Dans l'accélérateur du Fermilab, un faisceau de particules frappe une cible d'ammoniac congelé. Les noyaux d'hydrogène qu'elle contient sont comme de minuscules toupies, et les physiciens ont besoin qu'ils tournent tous dans le même sens. Alors les collisions révéleront comment est fait le spin du proton.

Un aimant minuscule, assemblé à partir de seulement deux molécules, s'est posé sur une surface métallique — et s'est comporté comme un chef d'orchestre capricieux. D'habitude, les électrons dans un métal se déplacent de manière coordonnée, comme une foule sur un escalator. Mais lors d'un refroidissement intense, cet ordre se brise et le mouvement devient imprévisible.

Une toupie lancée sur une surface parfaite tombe au moindre frémissement. De même, un bit quantique créé sur un défaut dans un diamant voit son état détruit par le désordre magnétique des impuretés et par les perturbations externes.

Deux points quantiques, c'est comme deux minuscules poches dans un morceau de silicium, où un électron peut se loger telle une bille dans un creux. Lorsque les poches sont éloignées, chaque électron vit sa vie, et son énergie ressemble à celle d'un atome isolé.

Le monde quantique aime l'ordre, mais la réalité apporte souvent le désordre. Dans ces travaux, des physiciens étudient des chaînes unidimensionnelles de spins — de minuscules aiguilles magnétiques qui peuvent pointer vers le haut ou vers le bas.

Un magnétomètre quantique à base de noyaux d'hydrogène fonctionne comme un casque à réduction de bruit active. Il « écoute » le champ de deux manières différentes en alternance : le bruit est identique dans les deux cas, mais le signal utile diffère.

Les atomes magnétiques dans un solide ressemblent à des aiguilles de boussole : d'habitude, en refroidissant, ils s'alignent dans une même direction — c'est ainsi qu'apparaît le magnétisme. Mais dans le composé TbInO3, les aiguilles de terbium sont disposées sur un réseau triangulaire, où il est impossible de satisfaire tous les voisins à la fois.

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.