En physique, il est essentiel de pouvoir montrer une hypothèse théorique en réalité, expériences physiques. Depuis plus de cent ans, les physiciens ont pris conscience du lien entre les notions de désordre dans un système, et les informations obtenues par mesure. Cependant, une évaluation expérimentale propre de ce lien dans les systèmes de surveillance communs, c'est-à-dire des systèmes qui sont mesurés en continu dans le temps, manquait jusqu'ici.

Mais maintenant, à l'aide d'un "tambour quantique, " une vibration, membrane mécanique, chercheurs de l'Institut Niels Bohr, Université de Copenhague, ont réalisé une configuration expérimentale qui montre l'interaction physique entre le trouble et les résultats d'une mesure. Plus important encore, ces résultats permettent d'extraire de l'ordre du système largement désordonné, fournir un outil général pour concevoir l'état du système, essentiel pour les futures technologies quantiques, comme les ordinateurs quantiques. Le résultat est maintenant publié en tant que suggestion des éditeurs dans Lettres d'examen physique .

Les mesures introduiront toujours un niveau de perturbation de tout système mesuré. Dans l'ordinaire, monde physique, ce n'est généralement pas pertinent, car il nous est parfaitement possible de mesurer, dire, la longueur d'une table sans remarquer cette perturbation. Mais à l'échelle quantique, comme les mouvements des membranes utilisées dans le laboratoire Schliesser de l'institut Niels Bohr, les conséquences de la perturbation faite par les mesures sont énormes. Ces grandes perturbations augmentent l'entropie, ou désordre, du système sous-jacent, et empêchent apparemment d'extraire tout ordre de la mesure. Mais avant d'expliquer comment la récente expérience a réalisé cela, les notions d'entropie et de thermodynamique nécessitent quelques mots.

Casser un œuf, c'est la thermodynamique

La loi de la thermodynamique couvre des processus extrêmement compliqués. L'exemple classique est que si un œuf tombe d'une table, il casse sur le sol. Dans la collision, de la chaleur est produite - parmi de nombreux autres processus physiques - et si vous imaginez que vous pouvez contrôler tous ces processus compliqués, il n'y a rien dans les lois physiques qui dit que vous ne pouvez pas inverser le processus. En d'autres termes, l'œuf pourrait en fait s'assembler et voler à nouveau à la surface de la table, si nous pouvions contrôler le comportement de chaque atome, et inverser le processus. C'est théoriquement possible.

Vous pouvez également considérer un œuf comme un système ordonné, et si ça casse, il devient extrêmement désordonné. Les physiciens disent que l'entropie, la quantité de désordre, a augmenté. Les lois de la thermodynamique nous disent que le désordre va en fait toujours augmenter, et non l'inverse :les œufs ne sautent donc généralement pas du sol, assembler et atterrir sur des tables dans le monde réel.

Des lectures correctes du système quantique sont essentielles et notoirement difficiles à obtenir

Si nous nous tournons vers la mécanique quantique, le monde a l'air assez différent, et pourtant pareil. Si l'on mesure en continu le déplacement d'une mécanique, système en mouvement comme le "tambour-membrane" (illustration 1) avec une précision seulement limitée par les lois quantiques, cette mesure perturbe profondément le mouvement. Vous finirez donc par mesurer un déplacement qui est perturbé pendant le processus de mesure lui-même, et la lecture du déplacement d'origine sera gâchée, à moins que vous ne puissiez également mesurer le trouble introduit.

Dans ce cas, vous pouvez utiliser les informations sur le trouble pour réduire l'entropie produite par la mesure et générer un ordre à partir de celle-ci, comparable au contrôle du trouble dans le système d'œufs brisés. Mais cette fois, nous avons aussi les informations sur le déplacement, nous avons donc appris quelque chose sur l'ensemble du système en cours de route, et, de manière cruciale, on a accès à la vibration originelle de la membrane, c'est-à-dire la lecture correcte.

Un cadre généralisé pour comprendre l'entropie dans les systèmes quantiques

"Le lien entre la thermodynamique et les mesures quantiques est connu depuis plus d'un siècle. Cependant, une évaluation expérimentale de ce lien manquait jusqu'à présent, dans le cadre de mesures en continu. C'est exactement ce que nous avons fait avec cette expérience. Il est absolument essentiel que nous comprenions comment les mesures produisent de l'entropie et du désordre dans les systèmes quantiques, et comment nous l'utilisons pour contrôler les lectures que nous aurons à l'avenir, dire, un système quantique comme un ordinateur quantique.

Si nous ne sommes pas en mesure de contrôler les perturbations, nous ne pourrons pratiquement pas comprendre les lectures - et les lectures de l'ordinateur quantique seront illisibles, et inutile, bien sûr, " dit Massimiliano Rossi, doctorat étudiant et premier auteur de l'article scientifique. "Ce cadre est important afin de créer une base de base généralisée pour notre compréhension des systèmes producteurs d'entropie à l'échelle quantique. C'est essentiellement là que cette étude s'inscrit dans la plus grande échelle des choses en physique."