Le comportement des matériaux dépend des interactions entre d'innombrables atomes. Vous pourriez voir cela comme une discussion de groupe géante dans laquelle les atomes échangent continuellement des informations quantiques. Des chercheurs de l'Université de technologie de Delft en collaboration avec l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle et le Centre de recherche de Jülich ont désormais pu intercepter une conversation entre deux atomes. Ils présentent leurs conclusions dans Science le 28 mai.

Atomes, bien sûr, ne parle pas vraiment. Mais ils peuvent réagir entre eux. C'est notamment le cas des atomes magnétiques. "Chaque atome porte un petit moment magnétique appelé spin. Ces spins s'influencent mutuellement, comme le font les aiguilles d'une boussole lorsque vous les rapprochez. Si vous donnez un coup de pouce à l'un d'eux, ils vont commencer à se déplacer ensemble d'une manière très spécifique, " explique Sander Otte, chef de l'équipe qui a effectué la recherche. "Mais selon les lois de la mécanique quantique, chaque rotation peut être dirigée simultanément dans différentes directions, formant une superposition. Cela signifie que le transfert réel d'informations quantiques a lieu entre les atomes, comme une sorte de conversation."

Aiguille pointue

Sur une grande Scale, ce genre d'échange d'informations entre atomes peut conduire à des phénomènes fascinants. Un exemple classique est la supraconductivité :l'effet où certains matériaux perdent toute résistivité électrique en dessous d'une température critique. Bien que bien compris pour les cas les plus simples, personne ne sait exactement comment cet effet se produit dans de nombreux matériaux complexes. Mais il est certain que les interactions quantiques magnétiques jouent un rôle clé. Dans le but d'essayer d'expliquer des phénomènes comme celui-ci, les scientifiques sont très intéressés de pouvoir intercepter ces échanges; d'entendre les conversations entre les atomes.

Dans l'équipe d'Otte, ils s'y prennent assez directement :ils mettent littéralement deux atomes l'un à côté de l'autre pour voir ce qui se passe. Ceci est possible grâce à un microscope à effet tunnel :un appareil dans lequel une aiguille pointue peut sonder les atomes un par un et peut même les réarranger. Les chercheurs ont utilisé cet appareil pour placer deux atomes de titane à une distance d'un peu plus d'un nanomètre (un millionième de millimètre) l'un de l'autre. A cette distance, les atomes sont juste capables de détecter le spin de l'autre. Si vous vouliez maintenant tordre l'un des deux tours, la conversation commencerait d'elle-même.

D'habitude, cette torsion est réalisée en envoyant des signaux radio très précis aux atomes. Cette technique dite de résonance de spin - qui rappelle assez le principe de fonctionnement d'un scanner IRM trouvé dans les hôpitaux - est utilisée avec succès dans la recherche sur les bits quantiques. Cet outil est également disponible pour l'équipe de Delft, mais il a un inconvénient. "C'est tout simplement trop lent, " déclare Lukas Veldman, étudiant au doctorat, auteur principal sur le Science publication. "Vous avez à peine commencé à tordre un tour avant que l'autre ne commence à tourner. De cette façon, vous ne pouvez jamais enquêter sur ce qui se passe lorsque vous placez les deux tours dans des directions opposées."

Approche peu orthodoxe

Les chercheurs ont donc tenté quelque chose de peu orthodoxe :ils ont rapidement inversé le spin de l'un des deux atomes avec une soudaine explosion de courant électrique. A leur grande surprise, cette approche drastique a abouti à une belle interaction quantique, exactement par le livre. Pendant le pouls, les électrons entrent en collision avec l'atome, faisant tourner sa rotation. Otte :« Mais nous avons toujours supposé que pendant ce processus, l'information quantique délicate – la soi-disant cohérence – a été perdue. Après tout, les électrons sont incohérents :l'histoire de chaque électron avant la collision est légèrement différente et ce chaos est transféré au spin de l'atome, détruire toute cohérence."

Le fait que cela semble maintenant ne pas être vrai a suscité un certain débat. Apparemment, chaque électron aléatoire, quel que soit son passé, peut initier une superposition cohérente :une combinaison spécifique d'états quantiques élémentaires qui est parfaitement connue et qui constitue la base de presque toutes les formes de technologie quantique.

Superposition parfaite

"Le point crucial est que cela dépend de la question que vous posez, " argumente Markus Ternes, co-auteur de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle et du Centre de recherche de Jülich. "L'électron inverse le spin d'un atome le faisant pointer, dire, À gauche. Vous pouvez voir cela comme une mesure, effacer toute la mémoire quantique. Mais du point de vue du système combiné comprenant les deux atomes, la situation qui en résulte n'est pas si banale du tout. Pour les deux atomes ensemble, le nouvel état constitue une superposition parfaite, permettant l'échange d'informations entre eux. Ce qui est crucial pour que cela se produise, c'est que les deux spins s'emmêlent :un état quantique particulier dans lequel ils partagent plus d'informations l'un sur l'autre que ce qui est classiquement possible."

La découverte peut être importante pour la recherche sur les bits quantiques. Peut-être aussi que dans cette recherche, vous pourriez vous en tirer en étant légèrement moins prudent lors de l'initialisation des états quantiques. Mais pour Otte et son équipe c'est surtout le point de départ d'encore plus belles expériences. Veldman :« ici nous avons utilisé deux atomes, mais que se passe-t-il quand on en utilise trois ? Ou dix, ou mille ? Personne ne peut prédire cela, car la puissance de calcul est insuffisante pour de tels nombres. Peut-être qu'un jour, nous pourrons écouter des conversations quantiques que personne n'avait jamais pu entendre auparavant."