Mort ou vif, rotation à gauche ou rotation à droite - dans le monde quantique, des particules telles que la célèbre analogie du chat de Schrödinger peuvent être toutes ces choses à la fois. Une équipe internationale, comprenant des chercheurs de plusieurs grandes universités américaines, avec des experts du Forschungszentrum Jülich, ont maintenant réussi à transformer 20 bits quantiques intriqués en un tel état de superposition. La génération de tels états de chat de Schrödinger atomiques est considérée comme une étape importante dans le développement d'ordinateurs quantiques qui pourraient surpasser les ordinateurs classiques dans la résolution de certaines tâches. Les résultats ont été publiés dans Science vendredi dernier.

En 1935, le physicien Erwin Schrödinger a mis en avant l'expérience de pensée avec le chat quantique, dans lequel le chat est enfermé dans une boîte avec un échantillon radioactif, un détecteur et une quantité mortelle de poison. Si la matière radioactive se désintègre, le détecteur déclenche une alarme et le poison est libéré. La particularité est que selon les règles de la mécanique quantique, contrairement à l'expérience quotidienne, il n'est pas clair si le chat est mort ou vivant. Ce serait les deux à la fois jusqu'à ce qu'un expérimentateur jette un œil. Un seul état ne serait obtenu qu'à partir du moment de cette observation.

Depuis le début des années 1980, les chercheurs ont pu réaliser cette superposition d'états quantiques expérimentalement en laboratoire en utilisant diverses approches. "Toutefois, ces états de chat sont extrêmement sensibles. Même les plus petites interactions thermiques avec l'environnement provoquent leur effondrement, " explique Tommaso Calarco du Forschungszentrum Jülich. Entre autres, il joue un rôle de premier plan dans la grande initiative quantique européenne, le programme Quantum Flagship de l'UE. "Pour cette raison, il n'est possible de réaliser beaucoup moins de bits quantiques dans les états de chat de Schrödinger que ceux qui existent indépendamment les uns des autres".

Parmi ces derniers États, les scientifiques peuvent désormais en contrôler plus de 50 dans des expériences de laboratoire. Cependant, ces bits quantiques, ou qubits pour faire court, n'affichent pas les caractéristiques particulières du chat de Schrödinger contrairement aux 20 qubits que l'équipe de chercheurs a maintenant créés à l'aide d'un simulateur quantique programmable établissant ainsi un nouveau record toujours valable même si d'autres approches physiques avec des photons optiques, les ions piégés ou les circuits quantiques supraconducteurs sont pris en compte.

Des experts de plusieurs des institutions les plus renommées au monde ont uni leurs forces pour développer l'expérience. En plus des chercheurs de Jülich, scientifiques de nombreuses universités américaines de premier plan—Harvard, Berkeley, Le MIT et le Caltech, ainsi que l'Université italienne de Padoue ont été impliqués.

"Les qubits à l'état de chat sont considérés comme extrêmement importants pour le développement des technologies quantiques, " explique Jian Cui. " Le secret de l'énorme efficacité et des performances attendues des futurs ordinateurs quantiques se trouve dans cette superposition d'états, " dit le physicien de l'Institut Peter Grünberg de Jülich (PGI-8).

Les bits classiques dans un ordinateur conventionnel n'ont toujours qu'une certaine valeur, qui est composé de 0 et 1, par exemple. Par conséquent, ces valeurs ne peuvent être traitées que bit à bit les unes après les autres. Qubits, qui ont plusieurs états simultanément grâce au principe de superposition, peut stocker et traiter plusieurs valeurs en parallèle en une seule étape. Le nombre de qubits est ici crucial. Vous n'allez pas loin avec juste une poignée de qubits. Mais avec 20 qubits, le nombre d'états superposés dépasse déjà le million. Et 300 qubits peuvent stocker simultanément plus de nombres qu'il n'y a de particules dans l'univers.

Le nouveau résultat de 20 qubits se rapproche maintenant un peu plus de cette valeur, après que l'ancien record de 14 qubits est resté inchangé depuis 2011. Pour leur expérience, les chercheurs ont utilisé un simulateur quantique programmable basé sur des réseaux d'atomes de Rydberg. Dans cette approche, atomes individuels, dans ce cas des atomes de rubidium, sont capturés par des faisceaux laser et maintenus en place côte à côte dans une rangée. La technique est également connue sous le nom de pince à épiler optique. Un laser supplémentaire excite les atomes jusqu'à ce qu'ils atteignent l'état de Rydberg, dans lequel les électrons sont situés bien au-delà du noyau.

Ce processus est assez compliqué et prend généralement trop de temps, de telle sorte que l'état délicat du chat est détruit avant même de pouvoir être mesuré. Le groupe de Jülich a apporté son expertise en contrôle optimal quantique pour résoudre ce problème. En éteignant et en allumant intelligemment les lasers à la bonne cadence, ils ont atteint une accélération dans le processus de préparation qui a rendu ce nouveau record possible.

"Nous avons pratiquement gonflé certains atomes à un point tel que leurs couches atomiques fusionnent avec les atomes adjacents pour former simultanément deux configurations opposées, à savoir des excitations occupant tous les sites pairs ou impairs, " explique Jian Cui. " Cela va si loin que les fonctions d'onde se chevauchent comme dans l'analogie du chat de Schrödinger et nous avons pu créer la superposition des configurations opposées qui est également connue sous le nom d'état de Greenberger-Horne-Zeilinger. "

Leurs avancées dans la recherche quantique ont été complétées par les efforts d'un groupe de recherche chinois, qui a également été publié dans le numéro actuel de " Science ". En utilisant des circuits quantiques supraconducteurs, les chercheurs ont réussi à créer 18 qubits dans l'état de Greenberger-Horne-Zeilinger, ce qui est aussi un nouveau record pour cette approche expérimentale.