Le chat de Schrödinger, une expérience de pensée imaginée par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1935, est un paradoxe qui applique le concept de superposition de la physique quantique à des objets de la vie quotidienne. L’idée est qu’un chat est placé dans une boîte scellée avec une source radioactive et un poison qui se déclenchera si un atome de la substance radioactive se désintègre. La physique quantique suggère que le chat est à la fois vivant et mort, jusqu’à ce que quelqu’un ouvre la boîte et, ce faisant, modifie l’état quantique. Une équipe de physiciens de l’université de Yale et de l’université d’Auckland a découvert comment attraper et sauver le célèbre chat de Schrödinger en anticipant ses sauts et en agissant en temps réel pour le sauver de la mort proverbiale. Cette découverte permet aux physiciens de mettre en place un système d’alerte précoce pour les sauts imminents d’atomes artificiels contenant des informations quantiques.
Minev et al ont trouvé comment attraper et sauver le célèbre chat de Schrödinger, symbole de la superposition quantique et de l’imprévisibilité. Crédit image : Kat Stockton.
Pour un objet minuscule tel qu’un électron, une molécule ou un atome artificiel contenant des informations quantiques (un qubit), un saut quantique est la transition soudaine d’un de ses états d’énergie discrets à un autre.
Dans le développement des ordinateurs quantiques, les chercheurs doivent impérativement traiter les sauts des qubits, qui sont les manifestations d’erreurs de calcul.
Les sauts quantiques ont été théorisés par le physicien danois Niels Bohr il y a un siècle, mais n’ont été observés que dans les années 1980, dans des atomes.
Les nouvelles expériences permettent d’observer pour la première fois le fonctionnement réel d’un saut quantique.
Les résultats révèlent une découverte surprenante qui contredit l’opinion établie de Bohr – les sauts ne sont ni brusques ni aussi aléatoires qu’on le pensait auparavant.
“Ces sauts se produisent chaque fois que nous mesurons un qubit. On sait que les sauts quantiques sont imprévisibles à long terme”, a déclaré le professeur Michel Devoret, de l’université de Yale et du Yale Quantum Institute.
“Malgré cela, nous voulions savoir s’il serait possible d’obtenir un signal d’avertissement préalable qu’un saut est sur le point de se produire de façon imminente”, a ajouté le Dr Zlatko Minev de l’Université de Yale.
Les scientifiques ont utilisé une approche spéciale pour surveiller indirectement un atome artificiel supraconducteur, avec trois générateurs de micro-ondes irradiant l’atome enfermé dans une cavité 3D en aluminium.
La méthode de surveillance doublement indirecte, développée par l’équipe pour les circuits supraconducteurs, permet aux chercheurs d’observer l’atome avec une efficacité sans précédent.
Le rayonnement micro-ondes agite l’atome artificiel alors qu’il est simultanément observé, ce qui entraîne des sauts quantiques.
Le minuscule signal quantique de ces sauts peut être amplifié sans perte à température ambiante. Ici, leur signal peut être suivi en temps réel.
Les physiciens ont ainsi pu constater une absence soudaine de photons de détection (photons émis par un état auxiliaire de l’atome excité par les micro-ondes) ; cette absence minuscule est l’avertissement préalable d’un saut quantique.
“Le bel effet démontré par cette expérience est l’augmentation de la cohérence pendant le saut, malgré son observation”, a déclaré le professeur Devoret.
“Vous pouvez en tirer parti pour non seulement attraper le saut, mais aussi l’inverser”, a ajouté le professeur Minev.
C’est un point crucial. Alors que les sauts quantiques semblent discrets et aléatoires à long terme, inverser un saut quantique signifie que l’évolution de l’état quantique possède, en partie, un caractère déterministe et non aléatoire ; le saut se produit toujours de la même manière, prévisible, à partir de son point de départ aléatoire.
“Les sauts quantiques d’un atome sont en quelque sorte analogues à l’éruption d’un volcan”, a déclaré le Dr Minev.
“Ils sont totalement imprévisibles à long terme. Néanmoins, avec une surveillance correcte, nous pouvons avec certitude détecter un signe avant-coureur d’une catastrophe imminente et agir en conséquence avant qu’elle ne se soit produite.”
L’article de l’équipe est publié dans le journal Nature.
