Une illustration artistique d’une vague de matière dévalant une colline potentielle escarpée. Crédit : Enrique Sahagún – Scixel
Une étude internationale montre quels facteurs déterminent la limite de vitesse pour les calculs quantiques.
Quels facteurs déterminent la vitesse à laquelle un ordinateur quantique peut effectuer ses calculs ? Des physiciens de l’Université de Bonn et du Technion – Israel Institute of Technology ont mis au point une expérience élégante pour répondre à cette question. Les résultats de l’étude sont publiés dans la revue Avancées scientifiques.
Les ordinateurs quantiques sont des machines hautement sophistiquées qui s’appuient sur les principes de la mécanique quantique pour traiter l’information. Cela devrait leur permettre de gérer à l’avenir certains problèmes qui sont totalement insolubles pour les ordinateurs conventionnels. Mais même pour les ordinateurs quantiques, des limites fondamentales s’appliquent à la quantité de données qu’ils peuvent traiter dans un temps donné.
Les portes quantiques nécessitent un temps minimum
Les informations stockées dans les ordinateurs conventionnels peuvent être considérées comme une longue séquence de zéros et de uns, les bits. En mécanique quantique, c’est différent : les informations sont stockées dans des bits quantiques (qubits), qui ressemblent à une onde plutôt qu’à une série de valeurs discrètes. Les physiciens parlent aussi de fonctions d’onde lorsqu’ils veulent représenter précisément l’information contenue dans les qubits.
Dans un ordinateur traditionnel, les informations sont reliées entre elles par ce que l’on appelle des portes. La combinaison de plusieurs portes permet des calculs élémentaires, comme l’addition de deux bits. Les informations sont traitées de manière très similaire dans les ordinateurs quantiques, où les portes quantiques modifient la fonction d’onde selon certaines règles.
Les portes quantiques ressemblent à leurs parents traditionnels à un autre égard : « Même dans le monde quantique, les portes ne fonctionnent pas à une vitesse infinie », explique le Dr Andrea Alberti de l’Institut de physique appliquée de l’Université de Bonn. “Ils ont besoin d’un minimum de temps pour transformer la fonction d’onde et les informations qu’elle contient.”
Dr. Manolo Rivera Lam (à gauche), Prof. Dr. Dieter Meschede (au centre) et Dr. Andrea Alberti (à droite). Crédit : Volker Lannert / Université de Bonn
Il y a plus de 70 ans, les physiciens soviétiques Leonid Mandelstam et Igor Tamm déduisaient théoriquement ce temps minimum pour transformer la fonction d’onde. Des physiciens de l’Université de Bonn et du Technion ont maintenant étudié cette limite de Mandelstam-Tamm pour la première fois avec une expérience sur un système quantique complexe. Pour ce faire, ils ont utilisé des atomes de césium qui se déplaçaient de manière très contrôlée. « Dans l’expérience, nous laissons des atomes individuels rouler comme des billes dans un bol lumineux et observer leur mouvement », explique Alberti, qui a dirigé l’étude expérimentale.
Les atomes peuvent être décrits en mécanique quantique comme des ondes de matière. Au cours du voyage jusqu’au fond du bol lumineux, leurs informations quantiques changent. Les chercheurs voulaient maintenant savoir quand cette « déformation » pourrait être identifiée au plus tôt. Ce temps serait alors la preuve expérimentale de la limite de Mandelstam-Tamm. Le problème avec ceci, cependant, est que dans le monde quantique, chaque mesure de la atomeLa position de s modifie inévitablement l’onde de matière de manière imprévisible. Il semble donc toujours que le marbre s’est déformé, quelle que soit la rapidité avec laquelle la mesure est effectuée. « Nous avons donc conçu une méthode différente pour détecter l’écart par rapport à l’état initial », explique Alberti.
Gal Ness (à gauche) et le professeur Yoav Sagi (à droite).Crédit : Rami Shlush/Technion
Pour cela, les chercheurs ont commencé par produire un clone de l’onde de matière, c’est-à-dire un jumeau presque exact. “Nous avons utilisé des impulsions lumineuses rapides pour créer une superposition dite quantique de deux états de l’atome”, explique Gal Ness, doctorant au Technion et premier auteur de l’étude. “Au sens figuré, l’atome se comporte comme s’il avait deux couleurs différentes en même temps.” Selon la couleur, chaque jumeau d’atome prend une position différente dans le bol lumineux : l’un est haut sur le bord et « roule » vers le bas à partir de là. L’autre, à l’inverse, est déjà au fond du bol. Ce jumeau ne bouge pas – après tout, il ne peut pas enrouler les murs et ne change donc pas sa fonction d’onde.
Les physiciens ont comparé les deux clones à intervalles réguliers. Ils l’ont fait en utilisant une technique appelée interférence quantique, qui permet de détecter très précisément les différences d’ondes. Cela leur a permis de déterminer après quel temps une déformation significative de l’onde de matière s’est produite pour la première fois.
Deux facteurs déterminent la limitation de vitesse
En faisant varier la hauteur au-dessus du fond du bol au début de l’expérience, les physiciens ont également pu contrôler l’énergie moyenne de l’atome. Moyenne car, en principe, le montant ne peut pas être déterminé exactement. L’« énergie de position » de l’atome est donc toujours incertaine. “Nous avons pu démontrer que le temps minimum pour que l’onde de matière change dépend de cette incertitude énergétique”, explique le professeur Yoav Sagi, qui a dirigé l’équipe partenaire du Technion : “Plus l’incertitude est grande, plus le temps Mandelstam-Tamm est court. “
C’est exactement ce que les deux physiciens soviétiques avaient prédit. Mais il y avait aussi un deuxième effet : si l’incertitude énergétique augmentait de plus en plus jusqu’à dépasser l’énergie moyenne de l’atome, alors le temps minimum ne diminuait pas davantage – contrairement à ce que la limite de Mandelstam-Tamm suggérerait réellement. Les physiciens ont ainsi prouvé une seconde limite de vitesse, qui a été théoriquement découverte il y a environ 20 ans. La limite de vitesse ultime dans le monde quantique est donc déterminée non seulement par l’incertitude énergétique, mais aussi par l’énergie moyenne.
« C’est la première fois que les deux limites de vitesse quantique peuvent être mesurées pour un système quantique complexe, et même dans une seule expérience », s’enthousiasme Alberti. Les futurs ordinateurs quantiques pourront peut-être résoudre des problèmes rapidement, mais eux aussi seront contraints par ces limites fondamentales.
Référence : « Observing crossover between quantum speed limit » par Gal Ness, Manolo R. Lam, Wolfgang Alt, Dieter Meschede, Yoav Sagi et Andrea Alberti, 22 décembre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.abj9119
L’étude a été financée par la Fondation Reinhard Frank (en collaboration avec la German Technion Society), la German Research Foundation (DFG), le Helen Diller Quantum Center du Technion et le German Academic Exchange Service (DAAD).
