Des chercheurs de Yale ont découvert comment attraper et sauver le célèbre chat de Schrödinger, le symbole de la superposition quantique et de l'imprévisibilité, en anticipant ses sauts et en agissant en temps réel pour le sauver d'une catastrophe proverbiale. Dans le processus, ils renversent des années de dogme fondamental en physique quantique.

La découverte permet aux chercheurs de mettre en place un système d'alerte précoce pour les sauts imminents d'atomes artificiels contenant des informations quantiques. Une étude annonçant la découverte paraît dans l'édition en ligne du 3 juin de la revue La nature .

Le chat de Schrödinger est un paradoxe bien connu utilisé pour illustrer le concept de superposition - la capacité de deux états opposés à exister simultanément - et d'imprévisibilité en physique quantique. L'idée est qu'un chat est placé dans une boîte scellée avec une source radioactive et un poison qui sera déclenché si un atome de la substance radioactive se désintègre. La théorie de la superposition de la physique quantique suggère que jusqu'à ce que quelqu'un ouvre la boîte, le chat est à la fois vivant et mort, une superposition d'états. Ouvrir la boîte pour observer le chat le fait changer brusquement d'état quantique de manière aléatoire, le forçant à être mort ou vivant.

Le saut quantique est le changement discret (non continu) et aléatoire de l'état lorsqu'il est observé.

L'expérience, réalisée dans le laboratoire du professeur de Yale Michel Devoret et proposée par l'auteur principal Zlatko Minev, se penche pour la première fois sur le fonctionnement réel d'un saut quantique. Les résultats révèlent une découverte surprenante qui contredit l'opinion établie du physicien danois Niels Bohr :les sauts ne sont ni brusques ni aussi aléatoires qu'on le pensait auparavant.

Pour un petit objet tel qu'un électron, molécule, ou un atome artificiel contenant des informations quantiques (appelé qubit), un saut quantique est la transition soudaine d'un de ses états d'énergie discrets à un autre. En développant des ordinateurs quantiques, les chercheurs doivent impérativement gérer les sauts des qubits, qui sont les manifestations d'erreurs de calcul.

Les sauts quantiques énigmatiques ont été théorisés par Bohr il y a un siècle, mais pas observé avant les années 1980, en atomes.

"Ces sauts se produisent à chaque fois que nous mesurons un qubit, " dit Dévoret, le professeur F.W. Beinecke de physique appliquée et de physique à Yale et membre du Yale Quantum Institute. "Les sauts quantiques sont connus pour être imprévisibles à long terme."

"Malgré que, " a ajouté Minev, "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 manière imminente."

Minev a noté que l'expérience a été inspirée par une prédiction théorique du professeur Howard Carmichael de l'Université d'Auckland, pionnier de la théorie des trajectoires quantiques et co-auteur de l'étude.

En plus de son impact fondamental, la découverte est une avancée potentielle majeure dans la compréhension et le contrôle de l'information quantique. Les chercheurs affirment que la gestion fiable des données quantiques et la correction des erreurs au fur et à mesure qu'elles se produisent est un défi clé dans le développement d'ordinateurs quantiques pleinement utiles.

L'équipe de Yale a utilisé une approche spéciale pour surveiller indirectement un atome artificiel supraconducteur, avec trois générateurs de micro-ondes irradiant l'atome enfermé dans une cavité 3-D en aluminium. La méthode de surveillance doublement indirecte, développé par Minev 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, entraînant des sauts quantiques. Le minuscule signal quantique de ces sauts peut être amplifié sans perte à température ambiante. Ici, leur signal peut être surveillé en temps réel. Ceci a permis aux chercheurs de constater une absence soudaine de photons de détection (photons émis par un état auxiliaire de l'atome excité par les micro-ondes); cette infime absence est le signe avant-coureur d'un saut quantique.

"Le bel effet affiché par cette expérience est l'augmentation de la cohérence lors du saut, malgré son observation, " dit Devoret. Ajouta Minev, "Vous pouvez tirer parti de cela pour non seulement attraper le saut, mais aussi l'inverser."

C'est un point crucial, les chercheurs ont dit. Alors que les sauts quantiques apparaissent 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 dans le même, manière prévisible à partir de son point de départ aléatoire.

"Les sauts quantiques d'un atome sont quelque peu analogues à l'éruption d'un volcan, " Minev a déclaré. "Ils sont complètement imprévisibles à long terme. Néanmoins, avec une surveillance correcte, nous pouvons détecter avec certitude un avertissement préalable d'une catastrophe imminente et agir en conséquence avant qu'elle ne se produise.