ion ytterbium

Sur la table repose un mille-feuille d'écailles de nitrure de bore hexagonal, un matériau qui ressemble au graphite mais composé d'atomes de bore et d'azote. On transfère délicatement une écaille sur une autre, et dans la zone où elles se chevauchent, après un passage au four sous oxygène, naissent de brillantes sources de lumière uniques.

Le balancier de ces horloges n'est pas actionné par un ressort ou un poids, mais par une minuscule impulsion à l'intérieur du noyau atomique. Les horloges atomiques ordinaires mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons, mais ici, le balancier est le noyau lui-même — une boule dense de protons et de neutrons.

Les réseaux quantiques du futur rappellent la tour de Babel : chaque nœud parle son propre dialecte. Certains stockent l'information dans la polarisation du photon — la direction d'oscillation de l'onde lumineuse.

En 1905, Einstein a montré que le mouvement chaotique du pollen dans l'eau résulte des impacts de molécules invisibles. Un siècle plus tard, les physiciens ont appris non seulement à observer, mais aussi à contrôler le mouvement à l'échelle quantique.

On frappe un diapason avec un maillet — et il vibre, tandis que le son s'estompe progressivement. C'est à peu près ce qui se passe pour un trou noir lorsqu'on le perturbe : il émet des ondes gravitationnelles — des ondulations de l'espace lui-même — puis se calme.

Un pendule qui oscille près de cinq cent mille milliards de fois par seconde. Ce n'est pas de la mécanique, c'est le pouls de la lumière capturé par des atomes d'ytterbium. Au lieu d'engrenages, on trouve ici un réseau laser – une onde stationnaire qui maintient les atomes dans ses nœuds, comme des petits pois dans leur cosse.

Une seule prise de vue stocke à la fois une image normale et une carte cachée de la façon dont la lumière a ondulé à travers la scène. L'intrication quantique rend cela possible. Des paires de photons liés sont générées : l'un visite l'objet, son jumeau fait un détour.

Le noyau atomique est un ressort naturel d'une force colossale. Lorsque les protons et les neutrons qui le composent se réorganisent, il passe dans un état particulier à longue durée de vie : l'isomère nucléaire. L'énergie y est emmagasinée comme un ressort comprimé à l'extrême.

Dans l'orchestre des atomes, chaque instrument a sa propre partition. Mais parfois, deux musiciens commencent à jouer à l'unisson — et le son s'amplifie plusieurs fois. Dans le monde quantique, cette « consonance » est appelée résonance de Feshbach.

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.

La lumière qui traverse un cristal transparent peut changer de couleur sans qu'on s'en aperçoive. C'est ainsi que fonctionnent de nombreux lasers : une infime addition d'un métal rare fait briller le cristal. Mais un même métal se comporte différemment selon le cristal – et des physiciens ont étudié ce caprice sur l'ytterbium.

Un piège magnétique en forme de beignet confine un plasma de bore et d'hydrogène. À l'intérieur, la température dépasse les cent millions de degrés — plus chaud qu'au cœur du Soleil. À cette chaleur, les noyaux entrent en collision et fusionnent, libérant de l'énergie.

La pointe d'un microscope à effet tunnel s'approche si près de la surface d'un cristal qu'un courant électrique s'établit entre eux. Les électrons de l'aiguille sont injectés dans un semi-conducteur en couches et tombent dans une lacune atomique — un endroit où il manque un atome dans le réseau.

Un minuscule nuage de 300 000 atomes d'ytterbium, refroidi à presque zéro absolu, a été transporté sur une piste de lumière longue de 34 centimètres — comme si l'on déplaçait une cargaison fragile sur une route cahoteuse sans la secouer.

La lumière qu'un atome émet ou absorbe ressemble à des empreintes digitales : chaque élément a son propre motif de raies. Dans l'ion d'ytterbium (un atome qui a perdu un électron), on a découvert trois nouvelles raies qui n'avaient pas été utilisées auparavant. Ces raies sont très fines — comme des fentes étroites dans une clôture, à travers lesquelles on voit loin et nettement.

Un matériau magnétique peut être comparé à une foule de minuscules boussoles. Dans un aimant ordinaire, toutes les aiguilles pointent dans la même direction, et les faire tourner toutes d'un coup n'est pas simple. Les physiciens ont trouvé un moyen de le faire à l'aide d'un courant électrique.

Dans chaque cellule, des réactions chimiques se déroulent en permanence, comme dans une minuscule cuisine où des protéines-cuisières préparent les substances nécessaires. Mais voir exactement comment la cuisinière prépare le plat est gêné par la foule d'autres molécules autour.

Les dispositifs quantiques sont généralement conservés dans des cryostats, de grands thermos où la température est plus basse que dans l'espace interstellaire. Un ion d'erbium piégé dans une minuscule cavité sur une puce en silicium brise cette tradition.

Un ordinateur quantique n'est pas un bloc monolithique, c'est plutôt un orchestre où chaque qubit doit jouer sa partition sans couvrir ses voisins. Dans les machines à ions, on utilise deux types de qubits : les uns stockent l'information, les autres la traitent.

Dans un laboratoire obscur, où les puces supraconductrices sont refroidies à des millièmes de kelvin, un qubit tourne sous l'effet d'un champ magnétique. Un qubit ordinaire tourne dans un sens. L'anticubit, son double miroir, tourne dans le sens opposé. Ensemble, ils forment une paire qui ressent le champ deux fois plus intensément que n'importe quelle paire ordinaire.