calcul quantique topologique

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.

Le monde quantique est plein de surprises : si l'on échange deux électrons, leur fonction d'onde commune ne change que de signe, et si l'on échange deux photons, il ne se passe rien du tout. Mais il existe des particules qui, lorsqu'elles échangent leurs places, se comportent tout à fait différemment — comme si elles se souvenaient d'avoir été permutées.

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.

Pendant longtemps, identifier les phases quantiques ressemblait à un interrogatoire : il fallait explorer chaque recoin du système pour en soutirer le secret. À l'époque de Lev Landau, l'ordre était lié à la brisure de symétrie et à un paramètre local — tout était clair comme de l'eau de roche.

En physique quantique, il existe des théories où tout obéit à des proportions nettes — comme un rythme musical qui revient toujours au début de la mesure. Mais il existe aussi des théories « irrationnelles », où le rythme se brise et où il est presque impossible de prédire le prochain battement.

La lumière coule comme une rivière invisible. Si l'on place un obstacle sur son passage, l'eau tourbillonne. De même, des surfaces spéciales créent des « tourbillons » de lumière qui piègent les nanoparticules comme des brindilles.

Un chef met des années à affiner son art de réduire une recette à trois ou quatre ingrédients essentiels, puis de reconstituer le plat à partir de ceux-ci. Si la composition est connue, on obtient le repas attendu. Un ingrédient étranger perturbe la compression, et le résultat est incompréhensible. Le compresseur quantique fait de même avec les images médicales.

Les manuels divisent les particules en deux camps : les bosons aiment se serrer dans un même état, les fermions, catégoriquement non. Mais la nature admet une troisième option. Les anyons sont des quasiparticules dont le comportement se situe quelque part entre les deux.

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.

Deux dés tombent toujours du même côté, où qu'on les lance. En physique quantique, ce comportement est appelé intrication, et c'est la ressource clé pour les ordinateurs du futur et les communications sécurisées. Mais le problème, c'est que toute intrication n'est pas facile à repérer.

Deux batteries quantiques sont éloignées l'une de l'autre, mais entre elles se trouve un nuage commun de qubits, comme une toile tendue. Alice veut charger la batterie de Bob sans y toucher. Au lieu d'une poussée directe, elle dessine un motif sur la toile — un qubit logique — en dépensant son énergie.

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.

Un long fil de perles se glisse dans un minuscule écrin : certaines perles se serrent les unes contre les autres, d'autres s'écartent. C'est le problème que résout une protéine lorsqu'elle se replie en une molécule fonctionnelle. Seulement, les perles — les acides aminés — peuvent être des centaines, et chaque contact modifie toute la structure.

Une cuillère tombe dans une tasse de café chaud, et des ondulations se propagent à la surface. Elles montrent à quelle vitesse la perturbation s'éloigne du point d'impact. Dans le monde quantique, les physiciens cherchent des « ondulations » similaires — comment l'information se propage le long d'une chaîne d'atomes.

L’ordinateur quantique est un outil capricieux. Chaque mesure de son état s’apparente à la photographie d’un objet en mouvement rapide : plus le temps d’exposition est court, plus on a de chances d’obtenir une image floue. Mais si l’on traite habilement une série de ces clichés, on peut reconstituer une image nette. C’est exactement ce qu’ont fait les chercheurs.

Dans un nuage froid d'atomes, refroidi presque au zéro absolu, les énergies peuvent se comporter comme des fils qui se tressent en nattes. Ces nattes ne sont pas qu'une jolie image : leur motif est lié à la topologie, la branche des mathématiques qui étudie les propriétés préservées par les déformations continues.

Une corde tressée à partir d'une centaine de fils courts peut être torsadée vers la droite ou vers la gauche. Chaque fil pris individuellement ne sait pas dans quel sens la corde est torsadée, mais essayez de la détresser – et la différence apparaît immédiatement.

Si l'on comprime une plaque avec des cellules en accordéon, une onde de pli la parcourt — comme un pli qui se propage sur un tapis quand on le pousse du pied. Ces ondes savent faire basculer le matériau entre deux formes stables, et c'est sur ce principe que l'on construit la mémoire mécanique. Mais si un pied de table se trouve sur le chemin du pli, celui-ci se coince.

Un ordinateur quantique tisse avec les qubits une sorte de fil, où chaque nœud est une particule et le lien entre eux est un entrelacement. Lorsqu'un physicien mesure un qubit, le fil se modifie : par endroits il se rompt, par endroits il se recoud, et parfois il apparaît une torsion.

Un supraconducteur est un matériau qui, à très basse température, conduit l'électricité sans pertes : les électrons se déplacent sans se bousculer, comme une foule avançant dans un couloir parfaitement lisse.

Un ordinateur quantique ressemble à une bouilloire trop chaude : les particules s'y agitent dans tous les sens, et il faut les calmer pour obtenir une réponse utile. Dans ces nouveaux travaux, des physiciens ont imaginé comment refroidir une chaîne de 19 spins quantiques (de petits aimants) directement sur un dispositif réel.

Les atomes, comme les brins d'une tresse, obéissent à une règle stricte : si un brin est « chargé », les voisins doivent se taire. Ce phénomène — le blocage de Rydberg — permet de tisser des motifs quantiques stables.

Toute la matière, des étoiles aux humains, est composée de particules qui, dans le modèle standard, se répartissent en deux familles. Mais il en existe une troisième, rare : des particules qui, lorsqu'on les échange, ne se contentent pas de changer de place, mais se nouent, mémorisant le fait de l'entrelacement, et non le chemin parcouru.

Au cœur d'un supraconducteur, les électrons s'unissent en paires de Cooper et se déplacent sans résistance. Mais si un vortex apparaît dans cet ordre parfait — une minuscule région où la supraconductivité disparaît — des excitations particulières y surgissent : les quasiparticules de Bogolioubov.