À mesure que la taille de la technologie moderne se réduit à l'échelle nanométrique, des effets quantiques étranges, tels que l'effet tunnel quantique, la superposition et l'intrication, deviennent importants. Cela ouvre la porte à une nouvelle ère des technologies quantiques, où les effets quantiques peuvent être exploités. De nombreuses technologies quotidiennes utilisent régulièrement le contrôle par rétroaction; un exemple important est le stimulateur cardiaque, qui doit surveiller le rythme cardiaque de l'utilisateur et appliquer des signaux électriques pour le contrôler, uniquement en cas de besoin. Mais les physiciens n'ont pas encore une compréhension équivalente du contrôle par rétroaction au niveau quantique. Maintenant, les physiciens ont développé une "équation maîtresse" qui aidera les ingénieurs à comprendre la rétroaction à l'échelle quantique. Leurs résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters .

"Il est essentiel d'étudier comment le contrôle par rétroaction peut être utilisé dans les technologies quantiques afin de développer des méthodes efficaces et rapides de contrôle des systèmes quantiques, afin qu'ils puissent être pilotés en temps réel et avec une grande précision", déclare le co-auteur Björn Annby- Andersson, physicien quantique à l'Université de Lund, en Suède.

Un exemple de processus de contrôle par rétroaction crucial en informatique quantique est la correction d'erreur quantique. Un ordinateur quantique encode des informations sur des qubits physiques, qui peuvent être des photons de lumière ou des atomes, par exemple. Mais les propriétés quantiques des qubits sont fragiles, il est donc probable que les informations codées soient perdues si les qubits sont perturbés par des vibrations ou des champs électromagnétiques fluctuants. Cela signifie que les physiciens doivent être capables de détecter et de corriger de telles erreurs, par exemple en utilisant le contrôle par rétroaction. Cette correction d'erreur peut être mise en œuvre en mesurant l'état des qubits et, si un écart par rapport à ce qui est attendu est détecté, en appliquant une rétroaction pour le corriger.

Mais le contrôle par rétroaction au niveau quantique présente des défis uniques, précisément en raison de la fragilité que les physiciens tentent d'atténuer. Cette nature délicate signifie que même le processus de rétroaction lui-même pourrait détruire le système. "Il est nécessaire de n'interagir que faiblement avec le système mesuré, en préservant les propriétés que nous voulons exploiter", explique Annby-Andersson.

Il est donc important de développer une compréhension théorique complète du contrôle de rétroaction quantique, d'établir ses limites fondamentales. Mais la plupart des modèles théoriques existants de contrôle de rétroaction quantique nécessitent des simulations informatiques, qui ne fournissent généralement que des résultats quantitatifs pour des systèmes spécifiques. "Il est difficile de tirer des conclusions générales et qualitatives", déclare Annby-Andersson. "Les quelques modèles qui peuvent fournir une compréhension qualitative ne s'appliquent qu'à une classe restreinte de systèmes contrôlés par rétroaction. Ce type de rétroaction est généralement appelé rétroaction linéaire."

'Stylo et papier'

Annby-Andersson et ses collègues ont maintenant développé une équation maîtresse, appelée "équation quantique de Fokker-Planck", qui permet aux physiciens de suivre l'évolution de tout système quantique avec un contrôle par rétroaction dans le temps. "L'équation peut décrire des scénarios qui vont au-delà de la rétroaction linéaire", explique Annby-Andersson. "En particulier, l'équation peut être résolue avec un stylo et du papier, plutôt que de devoir s'appuyer sur des simulations informatiques."

L'équipe a testé son équation en l'appliquant à un modèle de rétroaction simple. Cela a confirmé que l'équation fournit des résultats physiquement sensibles et a également démontré comment l'énergie peut être récoltée dans des systèmes microscopiques, en utilisant le contrôle par rétroaction. "L'équation est un point de départ prometteur pour de futures études sur la manière dont l'énergie peut être manipulée à l'aide d'informations au niveau microscopique", déclare Annby-Andersson.

L'équipe étudie actuellement un système qui utilise la rétroaction pour manipuler l'énergie dans des "points quantiques" - de minuscules cristaux semi-conducteurs d'à peine un milliardième de mètre de diamètre. "Une orientation future importante consiste à utiliser l'équation comme outil pour inventer de nouveaux protocoles de rétroaction pouvant être utilisés pour les technologies quantiques", déclare Annby-Andersson. + Explorer plus loin

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