Ces tambours battent en parfaite synchronisation parce qu’ils sont enchevêtrés quantiquement

Les physiciens ont construit deux minuscules tambours, chacun aussi gros qu’un cheveu humain est large, et ont synchronisé leurs vibrations exactement. Ils ont réalisé cet unisson parfait de tambours en utilisant un phénomène de mécanique quantique connu sous le nom d’intrication – et les tambours pourraient être utiles pour développer des ordinateurs quantiques.

Les deux tambours jouent ensembleavec une précision bien au-delà de ce qu’un orchestre ou deux métronomes correspondants peuvent réaliser. «Ils deviennent essentiellement une seule entité», a déclaré le physicien Shlomi Kotler de l’Université hébraïque de Jérusalem, qui a réalisé l’expérience tout en travaillant à l’Institut national des normes et de la technologie à Boulder, Colorado. L’équipe de Kotler publié leurs travaux dans la revue Science ce mois-ci.

Kotler a battu les tambours en utilisant une lumière micro-ondes. Les micro-ondes font que la surface des deux tambours, en aluminium, se comprime et se gonfle comme un trampoline. Surveillant les deux têtes de tambour, son équipe a mesuré la position de la surface d’un tambour pour toujours correspondre à la position de l’autre. Les surfaces du tambour se déplaçaient toujours à la même vitesse mais dans des directions opposées.

Les tambours se déplacent l’un par rapport à l’autre, comme les deux extrémités d’une bascule. Assis à une extrémité de la bascule les yeux fermés, vous savez que lorsque vous êtes monté, l’autre extrémité a dû descendre. Les positions et vitesses des deux extrémités sont synchronisées car elles font partie d’un seul objet. Grâce à son expérience, Kotler fait essentiellement en sorte que les deux tambours séparés se comportent comme s’ils étaient en quelque sorte connectés, comme les deux extrémités de la bascule. Chez les physiciens, cela est connu comme une forme d’intrication quantique, où les destins de deux objets différents s’entremêlent. L’idée a donné à Einstein une pause sur la théorie quantique, car elle suggérait que les objets pouvaient s’influencer les uns les autres de loin arbitrairement. Par exemple, l’intrication implique que, si vous sépariez deux objets intriqués en plaçant l’un sur Terre et l’autre sur Neptune, cette interférence avec l’un affecterait instantanément l’autre. Einstein a qualifié cette implication d ‘«action effrayante à distance».

Malgré le scepticisme d’Einstein quant à savoir si une action effrayante se produit réellement, des expériences sur plusieurs décennies ont corroboré que l’intrication est réelle. Les physiciens ont enchevêtré jusqu’à 18 photons à la fois, où l’état d’un photon est lié à l’autre 17. Ils ont même enchevêtré différents objets, un groupe enchevêtrant un petit tambour comme celui de Kotler avec un nuage contenant un milliard d’atomes de césium. Dans ce cas, interférer avec les vibrations du tambour a changé la façon dont les atomes de césium tournaient dans le nuage.

Kotler a mené cette expérience dans un congélateur maintenu à un centième de degré au-dessus du zéro absolu. Cela était nécessaire car des températures plus élevées font vibrer les tambours de manière aléatoire, ce qui les empêche de se synchroniser. Pour emmêler les tambours, Kotler a connecté les deux via des fils à un circuit qui stocke le rayonnement micro-ondes. Au fur et à mesure que le circuit transfère les micro-ondes vers et depuis les deux tambours selon un protocole spécifique, les tambours s’emmêlent.

L’expérience est la dernière d’une tendance parmi les physiciens à produire un enchevêtrement dans des objets de plus en plus grands. Selon la théorie de la mécanique quantique, les objets de toutes tailles devraient pouvoir présenter un enchevêtrement. Cependant, les physiciens n’ont historiquement observé que des phénomènes quantiques dans des objets minuscules tels que des atomes uniques. Bien qu’ils soient petits au quotidien, les tambours sont un billion d’atomes chacun. «Ils repoussent la frontière entre le monde quantique et classique», a déclaré le physicien Kero Lau de l’Université Simon Fraser au Canada.

Mais les deux tambours ne sont pas simplement une curiosité scientifique. Les chercheurs aimeraient les utiliser comme composants d’un ordinateur quantique, qui codent des informations dans du matériel appelé qubits qui représentent des informations sous forme de probabilité, plutôt que d’un 1 ou 0 définitif comme dans le calcul ordinaire. L’ordinateur traite les informations par le biais d’opérations logiques sur ses qubits qui reposent sur l’intrication de ces qubits.

Ces minuscules tambours pourraient être utilisés comme des qubits, stockant des informations sous forme de mouvement, a déclaré Kotler. En tant qu’objet de mécanique quantique, la surface de chaque tambour n’a pas toujours une position définie. Sa position existe en tant que probabilité, tout comme une pièce de monnaie en l’air n’est ni face ni pile, mais une certaine probabilité des deux. De même, la surface du tambour peut avoir une certaine probabilité d’être comprimée et bombée en même temps, et les chercheurs en informatique quantique peuvent utiliser ce mélange de positions pour représenter une combinaison de 1 et 0. En outre, l’intrication permet aux tambours d’interagir les uns avec les autres. pour effectuer des opérations de calcul.

Les chercheurs peuvent également utiliser ces tambours pour connecter différents ordinateurs quantiques, a déclaré Lau. Les tambours pourraient agir comme un nœud intermédiaire entre deux ordinateurs quantiques différents basés sur des qubits supraconducteurs, par exemple. Un ordinateur quantique supraconducteur, qui code les informations dans les micro-ondes, pourrait envoyer ces informations pour les stocker dans les vibrations d’un réseau de tambours. Ces tambours pourraient ensuite convertir les informations en micro-ondes pour les envoyer à un autre ordinateur quantique sur une longue distance. Ce type de connexion constituerait la base du « internet quantique», Un objectif des physiciens pour créer un réseau d’ordinateurs quantiques.

La démonstration de Kotler fait progresser les petits tambours en tant que technologie informatique quantique, car sa configuration peut produire un enchevêtrement sur commande. «Vous appuyez sur un bouton, et cela arrive», a déclaré Kotler. Alors que d’autres équipes ont emmêlé deux tambours dans le passé, elles ne pouvaient pas le faire avec la même constance que Kotler.

Les tambours restent emmêlés pendant environ 200 microsecondes, a déclaré Kotler. Bien que le temps semble court, Kotler prévoit qu’il est assez de temps pour manipuler la batterie pour effectuer des opérations intéressantes dans un ordinateur quantique. La prochaine étape consiste à faire en sorte que les tambours intriqués exécutent ces protocoles plus élaborés, a-t-il déclaré.

Son expérience montre également comment le développement de la technologie de l’informatique quantique alimente une compréhension plus approfondie de la mécanique quantique, et vice versa. «Ils vont de pair», a déclaré Kotler. À mesure que les chercheurs construisent de plus en plus d’appareils utilisant l’intrication et d’autres bizarreries quantiques, la mécanique quantique elle-même devient moins étrange.