Même dans le monde des plus petites particules avec leurs propres règles spéciales, les choses ne peuvent pas aller infiniment vite. Des physiciens de l'Université de Bonn ont maintenant montré quelle est la limite de vitesse pour les opérations quantiques complexes. L'étude a également impliqué des scientifiques du MIT, les universités de Hambourg, Cologne et Padoue, et le Centre de recherche de Jülich. Les résultats sont importants pour la réalisation d'ordinateurs quantiques, entre autres. Ils sont publiés dans la prestigieuse revue Examen physique X , et couvert par le magazine de physique de l'American Physical Society.

Supposons que vous observiez un serveur (le confinement est déjà de l'histoire ancienne) qui, le soir du Nouvel An, doit servir un plateau entier de coupes de champagne quelques minutes avant minuit. Il se précipite d'invité en invité à toute vitesse. Grâce à sa technique, perfectionné au cours de nombreuses années de travail, il parvient néanmoins à ne pas renverser la moindre goutte du précieux liquide.

Une petite astuce l'y aide :pendant que le serveur accélère ses pas, il incline un peu le plateau pour que le champagne ne déborde pas des verres. A mi-chemin de la table, il l'incline dans la direction opposée et ralentit. Ce n'est que lorsqu'il s'est complètement arrêté qu'il le tient à nouveau debout.

Les atomes sont à certains égards similaires au champagne. Ils peuvent être décrits comme des ondes de matière, qui se comportent non pas comme une boule de billard mais plutôt comme un liquide. Quiconque veut transporter des atomes d'un endroit à un autre le plus rapidement possible doit donc être aussi habile que le serveur de la Saint-Sylvestre. "Et même alors, il y a une limite de vitesse que ce transport ne peut pas dépasser, " explique le Dr Andrea Alberti, qui a dirigé cette étude à l'Institut de physique appliquée de l'Université de Bonn.

L'atome de césium comme substitut du champagne

Dans leur étude, les chercheurs ont étudié expérimentalement où se situe cette limite. Ils ont utilisé un atome de césium comme substitut du champagne et deux faisceaux laser parfaitement superposés mais dirigés l'un contre l'autre comme un plateau. Cette superposition, appelé interférence par les physiciens, crée une onde de lumière stationnaire :une séquence de montagnes et de vallées qui initialement ne bougent pas. "Nous avons chargé l'atome dans l'une de ces vallées, puis a mis en mouvement l'onde stationnaire - cela a déplacé la position de la vallée elle-même, " dit Alberti. " Notre objectif était d'amener l'atome à l'emplacement cible dans les plus brefs délais sans qu'il ne déborde de la vallée, pour ainsi dire."

Le fait qu'il y ait une limite de vitesse dans le microcosme a déjà été théoriquement démontré par deux physiciens soviétiques, Leonid Mandelstam et Igor Tamm il y a plus de 60 ans. Ils ont montré que la vitesse maximale d'un processus quantique dépend de l'incertitude énergétique, c'est à dire., à quel point la particule manipulée est « libre » par rapport à ses états énergétiques possibles :plus elle a de liberté énergétique, plus c'est rapide. Dans le cas du transport d'un atome, par exemple, plus la vallée dans laquelle l'atome de césium est piégé est profonde, plus les énergies des états quantiques dans la vallée sont dispersées, et finalement plus l'atome peut être transporté rapidement. On peut voir quelque chose de similaire dans l'exemple du serveur :s'il ne remplit les verres qu'à moitié (au grand dam des convives), il court moins de risques que le champagne déborde au fur et à mesure qu'il accélère et décélère. Cependant, la liberté énergétique d'une particule ne peut pas être augmentée arbitrairement. "Nous ne pouvons pas rendre notre vallée infiniment profonde, cela nous coûterait trop d'énergie, ", souligne Alberti.

Téléporte-moi, Scotty !

La limitation de vitesse de Mandelstam et Tamm est une limite fondamentale. Cependant, on ne peut y accéder que dans certaines circonstances, à savoir dans les systèmes avec seulement deux états quantiques. "Dans notre cas, par exemple, cela se produit lorsque le point d'origine et de destination sont très proches l'un de l'autre, " explique le physicien. " Ensuite, les ondes de matière de l'atome aux deux endroits se chevauchent, et l'atome pourrait être transporté directement à sa destination en une seule fois, C'est, sans aucun arrêt entre les deux, presque comme la téléportation dans le Starship Enterprise de Star Trek."

Cependant, la situation est différente lorsque la distance atteint plusieurs dizaines de largeurs d'onde de matière comme dans l'expérience de Bonn. Pour ces distances, la téléportation directe est impossible. Au lieu, la particule doit passer par plusieurs états intermédiaires pour atteindre sa destination finale :Le système à deux niveaux devient un système à plusieurs niveaux. L'étude montre qu'une limite de vitesse inférieure s'applique à de tels processus que celle prédite par les deux physiciens soviétiques :elle est déterminée non seulement par l'incertitude énergétique, mais aussi par le nombre d'états intermédiaires. De cette façon, le travail améliore la compréhension théorique des processus quantiques complexes et de leurs contraintes.

Les découvertes des physiciens sont importantes, notamment pour l'informatique quantique. Les calculs possibles avec les ordinateurs quantiques sont principalement basés sur la manipulation de systèmes multi-niveaux. Les états quantiques sont très fragiles, bien que. Ils ne durent que peu de temps, que les physiciens appellent le temps de cohérence. Il est donc important d'emballer autant d'opérations de calcul que possible dans ce temps. "Notre étude révèle le nombre maximum d'opérations que nous pouvons effectuer dans le temps de cohérence, " explique Alberti. " Cela permet d'en faire un usage optimal. "