Alan Guth

Le qubit supraconducteur — un minuscule anneau sans résistance — résout des problèmes plus vite que vous ne clignez des yeux. Mais coupez l'alimentation, et tout ce qu'il a calculé disparaît. Comme un cuisinier qui prépare sans noter la recette : tant qu'il est aux fourneaux, il se souvient de chaque étape, mais une heure plus tard, plus rien.

Un minuscule diamant avec des défauts — des atomes d'azote ayant remplacé des atomes de carbone — recèle une particularité étonnante. Autour de chaque défaut tourne un électron supplémentaire, comme une toupie que l'on peut incliner par des impulsions radio.

Le spectre des électrons cosmiques, c'est comme des empreintes digitales sur une scène de crime. Les particules qui arrivent des profondeurs de la Galaxie portent dans leurs énergies les traces de ceux qui les ont engendrées.

En 1982, le physicien Richard Feynman a proposé une idée simple : pour comprendre un système quantique, il faut construire un autre système quantique qui se comporte de la même manière. C'est ainsi qu'est né le simulateur quantique, un dispositif qui ne calcule pas des équations, mais les reproduit dans son propre comportement.

Dans une pièce sombre, le faisceau d'un laser dessine un point lumineux sur le mur. La lumière semble chaude et incontrôlable, mais depuis trois décennies, les physiciens l'utilisent comme une baguette de chef d'orchestre, faisant danser les atomes en cadence.

L'Univers s'étend de plus en plus vite, et l'explication standard est une constante cosmologique positive, c'est-à-dire un vide de Sitter. La théorie des cordes, qui prétend être la gravité quantique, devrait pouvoir décrire un tel vide, mais après des décennies d'efforts, aucune construction fiable n'a vu le jour.

Une pierre tombe dans l'eau — et des cercles se propagent autour. Dans le monde quantique, une impureté magnétique (cette fameuse pierre) dans un métal perturbe les électrons environnants, qui forment autour d'elle un nuage particulier. On l'appelle le nuage de Kondo. Comme des cercles dans l'eau dans l'obscurité, il est resté longtemps insaisissable.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue d'un instrument invisible. Au lieu de violons et de cuivres, il y a des qubits, des particules fragiles qu'un rien de chaleur ou de bruit peut faire sortir du rythme.

À l'intérieur d'un diamant, on trouve parfois de minuscules imperfections : un atome de carbone remplacé par de l'azote, avec une lacune juste à côté. Les physiciens appellent cela un centre NV (défaut azote-lacune). Un tel défaut se comporte comme une aiguille magnétique qui peut stocker de l'information dans sa rotation.

Dans la taïga sibérienne se dressent une centaine de pièges à lumière — chacun de la taille d'une petite table, mais ensemble ils couvrent un kilomètre carré. La nuit, ces pièges scrutent le ciel et capturent de faibles éclairs de lumière qui naissent lorsque des particules cosmiques percutent l'atmosphère.

L'intrication quantique ressemble à un ressort invisible entre les particules – comprimez l'une, et l'autre réagit, où qu'elle soit. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont construit un modèle de quatre spins (petites aiguilles magnétiques) en chaîne, où les spins extrêmes sont maintenus par un champ magnétique local.

Chaque seconde, des dizaines de particules venues de l'espace traversent chacun de nous. La plupart sont des protons légers, mais on trouve aussi des noyaux atomiques plus lourds : carbone, oxygène, fer. Ils naissent dans les explosions d'étoiles et voyagent vers la Terre pendant des millions d'années.

Dans une chaîne de huit spins se cache un défaut — un minuscule moment magnétique. L'effet Kondo, connu depuis les années 1930, oblige les électrons autour de lui à former un écran collectif. La résistance du matériau augmente anormalement.

Deux récipients d'eau à des températures différentes sont séparés par une fine cloison. Tant que la cloison est intacte, chaque récipient vit sa vie : dans l'un, l'eau est chaude, dans l'autre, elle est glacée. Mais dès qu'on retire la cloison, les températures commencent à s'égaliser, et finalement les deux récipients atteignent le même état.

Sur la côte de la Terre de la Reine Maud se dressent deux carottes de glace, comme deux sismographes sur une même rive. L'une, FK17, a été forée sur la crête du dôme de glace de Lokerryggen, l'autre, TIR18, sur celle de Hammarryggen. Cent kilomètres les séparent, mais elles captent des secousses climatiques différentes. L'une entend le Pacifique, l'autre l'Atlantique et l'océan Indien.

Au Jefferson Lab, des électrons sont accélérés jusqu'à 12 GeV et percutent des protons pour leur soutirer leurs secrets. Mais les détecteurs existants ressemblent à des appareils photo à champ étroit : soit on voit beaucoup mais de façon sombre, soit on voit net mais sur une toute petite zone.

Les trois planètes du système Kepler-51 intriguent depuis longtemps les astronomes : par leur taille, elles rappellent Saturne, mais leur densité est inférieure à celle de l'eau. Ces mondes « super-gonflés », dont les masses ne dépassent pas dix fois celle de la Terre, sont comme des pissenlits cosmiques — massifs mais presque sans poids.

Au nord du microquasar SS 433, dans le domaine des rayons X mous, un arc est apparu. Faible, diffus, mais épousant obstinément des contours déjà connus par les observations radio. Les astronomes ont étudié son spectre et ont vu un gaz chauffé à onze millions de kelvins. Un gaz qui n'a pu être chauffé ni par les jets, ni par le vent du disque d'accrétion.

En 2023, une équipe de chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge a lancé sur le supercalculateur Theta la simulation d'un circuit quantique de 61 qubits. Pour stocker son vecteur d'état, il aurait fallu 32 exaoctets de mémoire, soit plus que la capacité totale de tous les disques durs de la planète.

Une batterie quantique n'est pas une boîte remplie d'électrolyte, mais une poignée d'atomes ou de circuits supraconducteurs, dont l'énergie est stockée dans des états excités. On peut la charger en une fraction de seconde grâce aux effets quantiques collectifs.

Accorder une corde : les harmoniques supérieures aident à garder le ton sans étouffer la note fondamentale. Dans une microcavité optique, un minuscule résonateur composé de deux miroirs, la lumière voyage entre les surfaces réfléchissantes, et toute vibration de la distance perturbe la résonance.

Un processeur quantique seul, c'est comme un musicien solitaire. Il peut jouer une mélodie simple, mais pour une symphonie, il faut un orchestre. Pour résoudre des problèmes exigeant d'immenses calculs, il faut relier les processeurs en réseau.

Le Système solaire effectue une révolution complète autour du centre de la Voie lactée en 210 millions d'années. La dernière fois que nous étions du même côté de la Galaxie, les premiers dinosaures parcouraient la Terre. Ce chiffre, 243.72 km/s, a pu être affiné grâce à de rares étoiles qui traversent la Galaxie comme des boulets de canon.

Un mandat postal n'arrive pas immédiatement, mais après un délai déterminé – et le montant sur le compte du destinataire est supérieur à ce que l'expéditeur a déposé en espèces. C'est à peu près ainsi que fonctionne le nouveau protocole, baptisé téléportation quantique temporelle de l'énergie (TQET).

Un ordinateur quantique, c'est un orchestre où chaque qubit doit entrer en mesure au bon moment. Mais au lieu d'un chef d'orchestre avec sa baguette, nous avons un générateur de formes d'ondes arbitraires (AWG) qui envoie des signaux micro-ondes durant des dizaines de nanosecondes.

Le quasar W2246–0526 est un phare allumé alors que l'Univers n'avait que 1,3 milliard d'années. Sa lumière nous parvient après 12,8 milliards d'années de voyage, mais même à cette distance, les astronomes ont aperçu ce qui échappait depuis des décennies : l'ombre gravitationnelle d'un trou noir.

La nuit, un astronome pointe son télescope vers le bord de l'Univers visible et ne voit pas des étoiles, mais des ondulations – l'empreinte des tout premiers instants. Il sait que ces ondulations doivent obéir à des statistiques, comme la taille des gens dans une foule. Mais il n'a qu'une seule foule, et rien à quoi la comparer.

Un orchestre où chaque musicien joue d'un instrument qui se brise à la moindre chaleur. Le chef d'orchestre, c'est le processeur quantique, et les musiciens, ce sont les qubits, ces fragiles porteurs d'information quantique.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où les cordes et les vents jouent dans des langues différentes. Les processeurs supraconducteurs manipulent des photons micro-ondes dans des circuits de quelques centimètres, tandis que les qubits de spin — par exemple les centres azote-lacune — stockent…

Au sommet de la colline de la physique classique, une particule est figée dans un équilibre instable. La moindre impulsion — et elle dévale la pente à une vitesse croissante.

Parmi les symétries fondamentales de la nature, la parité miroir occupe une place à part. Le modèle standard connaît déjà une violation de cette symétrie, dans l'interaction faible, mais des forces hypothétiques à longue portée qui ne conserveraient pas la distinction entre gauche et droite pourraient en révéler long sur la matière noire.

Un processeur quantique supraconducteur, c'est comme une métropole microscopique enfermée dans un réfrigérateur cryogénique : des rues de lignes supraconductrices, des quartiers de qubits.

La mécanique quantique nous a offert une image envoûtante : l'état d'un système n'est pas un point figé, mais une onde de possibilités qui danse dans un espace abstrait. Grâce aux travaux de Schrödinger et de Dirac, nous la représentons par des vecteurs dans un espace de Hilbert.

Détecter un émetteur quantique unique, c'est un peu comme accorder un piano dans un atelier où hurlent les machines : la note pure se noie dans le vacarme. Mais l'accordeur ne cherche pas à couvrir le bruit — il prend un diapason et écoute les battements. Ainsi, même un écho à peine audible devient évident.

Frappez un gong : le son se décompose en couches — le bourdonnement grave persiste, les harmoniques aigus s'éteignent les premiers, laissant le silence derrière eux. De même, un qubit, au fil de sa vie quantique, laisse non pas un, mais trois échos de son propre passé.

La marche quantique n'est pas une suite de pas aléatoires, mais une partition où le piano de l'espace joue sous la baguette de l'état interne. La pièce donne le ton. Jusqu'à présent, on pensait que les touches désaccordées (le désordre de phase) étouffaient toute mélodie, menant à la localisation d'Anderson — un silence vibrant.

Faire évoluer un ordinateur quantique, c'est un peu comme tisser une toile d'araignée avec de la lumière : chaque fil vibre au souffle thermique, menaçant de rompre le motif à peine esquissé.

Imaginez un soliste qui tente de fondre sa voix dans un chœur. Si les choristes chantent à l'unisson, la voix du soliste se détache longtemps ; mais si le chœur s'étale sur une large gamme — des basses profondes aux sopranos cristallines — le soliste se dissout presque instantanément. En physique quantique, le rôle de ce chœur est tenu par le bain thermique, l'environnement massif.

En 2008, un groupe de physiciens a passé des mois de temps de supercalculateur pour calculer une seule grandeur dans la théorie de la gravité quantique.

Dans un détecteur en silicium, une particule laisse une trace : un minuscule signal électrique qu'il faut capturer et localiser avec précision. Mais lorsque les pixels deviennent plus petits et plus nombreux, le signal commence à s'étaler : comme de l'eau renversée sur une table, il se répand dans les cellules voisines.