Entropie réduite dans un réseau tridimensionnel de surfusion, les atomes piégés au laser pourraient aider à accélérer les progrès vers la création d'ordinateurs quantiques. Une équipe de chercheurs de Penn State peut réorganiser un réseau d'atomes distribué de manière aléatoire en blocs soigneusement organisés, remplissant ainsi la fonction d'un "démon de Maxwell" - une expérience de pensée des années 1870 qui remettait en question la deuxième loi de la thermodynamique. Les blocs d'atomes organisés pourraient former la base d'un ordinateur quantique qui utilise des atomes non chargés pour coder des données et effectuer des calculs. Un article décrivant la recherche paraît le 6 septembre 2018 dans la revue La nature .

"Les ordinateurs traditionnels utilisent des transistors pour coder les données sous forme de bits qui peuvent être dans l'un des deux états :zéro ou un, " a déclaré David Weiss, professeur de physique à Penn State et chef de l'équipe de recherche. "Nous concevons des ordinateurs quantiques qui utilisent des atomes comme des "bits quantiques" ou des "qubits" capables de coder des données basées sur des phénomènes de mécanique quantique qui leur permettent d'être dans plusieurs états simultanément. L'organisation des atomes dans une grille 3D compacte nous permet de insérer beaucoup d'atomes dans une petite zone et rend le calcul plus facile et plus efficace."

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie - parfois considérée comme un désordre - d'un système ne peut pas diminuer avec le temps. L'une des conséquences de cette loi est qu'elle exclut la possibilité d'un dispositif à mouvement perpétuel. Vers 1870, James Clerk Maxwell a proposé une expérience de pensée dans laquelle un démon pouvait ouvrir et fermer une porte entre deux chambres à gaz, permettant aux atomes plus chauds de passer dans un sens et aux atomes plus froids de passer dans l'autre. Ce tri, qui ne nécessitait aucun apport d'énergie, se traduirait par une diminution de l'entropie dans le système et une différence de température entre les deux chambres qui pourrait servir de pompe à chaleur pour effectuer des travaux, violant ainsi la deuxième loi.

"Des travaux ultérieurs ont montré que le démon ne viole pas réellement la deuxième loi et par la suite, il y a eu de nombreuses tentatives pour concevoir des systèmes expérimentaux qui se comportent comme le démon, " a déclaré Weiss. " Il y a eu quelques succès à très petite échelle, mais nous avons créé un système dans lequel nous pouvons manipuler un grand nombre d'atomes, les organiser de manière à réduire l'entropie du système, tout comme le démon."

Les chercheurs utilisent des lasers pour piéger et refroidir les atomes dans un réseau tridimensionnel avec 125 positions disposées en un cube de 5 par 5 par 5. Ils remplissent ensuite au hasard environ la moitié des positions du réseau avec des atomes. En ajustant la polarisation des pièges laser, les chercheurs peuvent déplacer des atomes individuellement ou en groupes, réorganiser les atomes distribués de manière aléatoire pour remplir entièrement les sous-ensembles 5 par 5 par 2 ou 4 par 4 par 3 du réseau.

"Parce que les atomes sont refroidis à une température presque aussi basse que possible, l'entropie du système est presque entièrement définie par la configuration aléatoire des atomes dans le réseau, " a déclaré Weiss. " Dans les systèmes où les atomes ne sont pas sur-refroidis, la vibration des atomes constitue la majorité de l'entropie du système. Dans un tel système, l'organisation des atomes ne change pas grand-chose à l'entropie, mais dans notre expérience, nous montrons que l'organisation des atomes abaisse l'entropie au sein du système d'un facteur d'environ 2,4."