Les physiciens ont développé un « chronomètre quantique », une méthode qui stocke le temps (sous la forme d'états d'horloges quantiques) dans une mémoire quantique. Ce faisant, la méthode évite l'accumulation d'erreurs qui se produit habituellement lors de la mesure de la durée d'une séquence d'événements. De cette façon, le chronomètre quantique augmente la précision de la mesure du temps au niveau quantique, ce qui est essentiel pour des applications telles que le GPS, recherche en astronomie, et informatique distribuée.

Les physiciens, Yuxiang Yang, Giulio Chiribella, et Masahito Hayashi, des universités de Hong Kong, Oxford, et Nagoya, ont publié un article sur la technique du chronomètre quantique dans un récent numéro de la Actes de la Royal Society A .

Comme l'expliquent les physiciens dans leur article, lorsqu'il s'agit de faire des mesures de temps très précises, certaines horloges sont meilleures que d'autres pour des raisons technologiques. Mais toutes les horloges, aussi bien construites soient-elles, sont soumises à une limite quantique fondamentale qui trouve ses racines dans le principe d'incertitude de Heisenberg. En raison de cette limite quantique, les horloges plus grandes ont des erreurs de mesure plus petites, mais aucune horloge ne peut être si grande qu'elle soit totalement exempte d'erreurs.

En raison de cette limite, lorsqu'une ou plusieurs horloges effectuent plusieurs mesures de temps, par exemple, lors de la mesure de la durée totale d'une séquence d'événements, les erreurs s'accumulent. Cela conduit à une imprécision qui croît linéairement avec le nombre de mesures.

La méthode du chronomètre quantique résout ce problème en transférant les états des horloges (généralement constituées de nombreux atomes ou ions identiques) dans la mémoire d'un ordinateur quantique. L'ordinateur traite ensuite toutes les données et détermine la longueur de l'intervalle de temps en utilisant une seule mesure. Par conséquent, la seule erreur est l'erreur due à la mesure d'une horloge.

"Le chronomètre quantique introduit une nouvelle, manière plus précise de traiter les informations de temps, " a dit Chiribella Phys.org . "Avant, la plupart des gens pensaient que la seule application des horloges quantiques était de fournir des informations classiques sur le temps. L'horloge était quantique, mais la sortie était une information purement classique, qui pourrait être stocké dans la mémoire d'un ordinateur classique. Avec le chronomètre, nous avons compris que le maintien des informations temporelles sous une forme quantique peut réduire considérablement les erreurs. La morale est la suivante :lorsque nous voulons combiner différentes informations temporelles, cette information ferait mieux d'être quantique."

L'un des défis de cette idée est que le stockage de grandes quantités d'informations dans une mémoire quantique est très difficile, ce qui conduit à la question de la quantité de mémoire nécessaire pour stocker le temps. Dans leur papier, les physiciens dérivent une « limite de mémoire quantique » qui détermine le nombre minimum de qubits requis par la mémoire pour stocker les états d'horloge avec une certaine précision.

Globalement, les physiciens espèrent que, en montrant que les ordinateurs quantiques pouvaient être utilisés pour augmenter la précision des mesures du temps, le chronomètre quantique fournira une motivation supplémentaire pour le développement des ordinateurs quantiques. Ils s'attendent à ce que l'un des plus grands défis pour la réalisation expérimentale de la méthode du chronomètre quantique soit le codage et le décodage des états avec une grande précision. Après d'autres améliorations, la méthode du chronomètre quantique pourrait avoir une variété de nouvelles applications.

"Un domaine d'application passionnant est le développement de réseaux d'horloges quantiques, " a dit Chiribella. " Imaginez qu'un certain nombre d'horloges quantiques se trouvent à différentes positions dans l'espace, et peuvent communiquer entre eux par des liens de communication quantique. En transférant des informations d'une horloge à une autre, nous pouvons grandement améliorer la précision des mesures de temps dans le réseau. Par exemple, nous pouvons mesurer la fréquence moyenne de tic-tac des horloges avec une précision qui ne serait pas possible si les horloges n'étaient pas connectées entre elles. À long terme, ces applications pourraient conduire à une technologie GPS améliorée quantiquement, qui pourraient localiser des objets avec une précision au-delà de la précision de nos appareils GPS actuels."

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