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Les ordinateurs quantiques sont des machines très sophistiquées qui s'appuient sur les principes de la mécanique quantique pour traiter les informations. Cela devrait leur permettre de traiter à l'avenir certains problèmes qui sont totalement insolubles pour les ordinateurs classiques. Mais même pour les ordinateurs quantiques, des limites fondamentales s'appliquent à la quantité de données qu'ils peuvent traiter en un temps donné.

Les portes quantiques nécessitent un temps minimum

Les informations stockées dans les ordinateurs classiques 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 également 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 des portes. La combinaison de plusieurs portes permet d'effectuer des calculs élémentaires, comme l'addition de deux bits. L'information est traitée 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 l'infini", explique Andrea Alberti, de l'Institut de physique appliquée de l'université de Bonn. "Elles nécessitent un minimum de temps pour transformer la fonction d'onde et les informations qu'elle contient".

Des billes quantiques dans un bol de lumière

Il y a plus de 70 ans, les physiciens soviétiques Leonid Mandelstam et Igor Tamm ont déduit 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 Mandelstam-Tamm pour la première fois par une expérience sur un système quantique complexe. Pour ce faire, ils ont utilisé des atomes de césium qui se sont déplacés de manière très contrôlée. "Dans l'expérience, nous avons laissé des atomes individuels rouler comme des billes dans un bol lumineux et nous avons observé leur mouvement", explique M. Alberti, qui a dirigé l'étude expérimentale.

Les atomes peuvent être décrits en mécanique quantique comme des ondes de matière. Au cours de leur voyage vers le fond du bol lumineux, leur information quantique change. Les chercheurs voulaient maintenant savoir à quel moment cette "déformation" pouvait être identifiée au plus tôt. Ce moment serait alors la preuve expérimentale de la limite Mandelstam-Tamm. Le problème, cependant, est que dans le monde quantique, chaque mesure de la position de l'atome modifie inévitablement l'onde de matière d'une manière imprévisible. Ainsi, on a toujours l'impression que la bille s'est déformée, quelle que soit la vitesse à laquelle la mesure est effectuée. "Nous avons donc imaginé une méthode différente pour détecter la déviation par rapport à l'état initial", explique M. Alberti.

Pour ce faire, les chercheurs ont commencé par produire un clone de l'onde de matière, autrement dit 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". En fonction de la couleur, chaque atome jumeau 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, au contraire, se trouve déjà au fond du bol. Ce jumeau ne bouge pas - après tout, il ne peut pas rouler sur les parois et ne change donc pas sa fonction d'onde.

Les physiciens ont comparé les deux clones à intervalles réguliers. Ils ont utilisé pour cela une technique appelée interférence quantique, qui permet de détecter très précisément les différences entre les ondes. Ils ont ainsi pu déterminer à partir de quel moment une déformation significative de l'onde de matière s'est produite.

Deux facteurs déterminent la limite 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, cette quantité ne peut être déterminée avec exactitude. 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 au Technion : "Plus l'incertitude est grande, plus la limite Mandelstam-Tamm est courte".

C'est exactement ce que les deux physiciens soviétiques avaient prédit. Mais il y avait aussi un deuxième effet : si l'incertitude énergétique était augmentée de plus en plus jusqu'à dépasser l'énergie moyenne de l'atome, le temps minimum ne diminuait pas davantage - contrairement à ce que la limite Mandelstam-Tamm laissait entendre. Les physiciens ont ainsi prouvé l'existence d'une deuxième limite de vitesse, qui avait été découverte théoriquement il y a environ 20 ans. La limite ultime de la vitesse 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 ont pu être mesurées pour un système quantique complexe, et même dans une seule expérience", se réjouit M. Alberti. Les futurs ordinateurs quantiques seront peut-être capables de résoudre des problèmes rapidement, mais ils seront eux aussi limités par ces limites fondamentales.

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L'étude a été financée par la Fondation Reinhard Frank (en collaboration avec la Société allemande du Technion), la Fondation allemande pour la recherche (DFG), le Centre quantique Helen Diller du Technion et l'Office allemand d'échanges universitaires (DAAD).

Cliquez ici pour lire l'article dans Science Advances