Les nouvelles recherches de l’Université de Copenhague pourraient s’avérer d’une grande importance pour la conception d’ordinateurs quantiques et pourraient même constituer une carte des supraconducteurs fonctionnant à température ambiante. L'article est publié dans la revue Physical Review X .

En marge de la physique théorique, Berislav Buca étudie l'impossible à travers les mathématiques « exotiques ». Sa dernière théorie ne fait pas exception. En permettant de calculer la dynamique, c’est-à-dire les mouvements et les interactions, de systèmes comportant d’énormes quantités de particules quantiques, il a livré quelque chose qui avait été annulé en physique. Une impossibilité rendue possible.

La présence inattendue d'un chat blanc orne les illustrations des recherches de Buca. Pulci le chat est sa muse accrocheuse. Les flèches traversant le corps du chat illustrent l'origine mécanique quantique des mouvements du chat ludique - et c'est précisément la relation que Buca essaie de comprendre en permettant de calculer la dynamique des plus petites particules.

Cette avancée a revigoré une question scientifique ancienne et fondamentale :théoriquement, si tout le comportement dans l'univers peut être calculé au moyen des lois de la physique, pouvons-nous alors tout prédire en calculant ses plus petites particules ?

"De nombreuses disciplines physiques visent en fin de compte à expliquer et à prédire le monde en comprenant les lois de la physique et en calculant le comportement des plus petites particules. En principe, nous serions en mesure de répondre à toutes les questions possibles sur le comportement de toutes sortes de choses si nous pouvions à", déclare Buca de l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague.

"En principe, le comportement de tout ce qui existe dans l'univers peut être compris à partir des lois microscopiques qui régissent la dynamique des particules", dit-il, tout en appelant rapidement à la prudence.

"Bien sûr, je ne peux pas faire ça", dit le théoricien.

Un raccourci théorique évite le diable dans les détails

Les interactions et les mouvements des particules quantiques dans leurs systèmes sont si complexes, explique le chercheur, que même le superordinateur le plus puissant au monde aujourd'hui n'est capable d'effectuer des calculs que sur une douzaine de ces particules à la fois.

Dans le même temps, un seul atome est constitué d’au moins deux particules quantiques et d’un seul grain de sable d’environ 50 milliards de fois milliard d’atomes – sans parler d’un chat ou de tout ce que l’on voudrait comprendre dans notre univers.

"Donc, en pratique, ce n'est pas possible. Pas actuellement. Cependant, ma théorie constitue un pas important dans la bonne direction. En effet, elle nécessite une sorte de raccourci mathématique pour comprendre la dynamique de l'ensemble, sans perte de puissance de calcul. dans les détails pour une large classe de systèmes comportant de nombreuses particules quantiques, c'est-à-dire sans qu'il soit nécessaire de calculer toutes les particules individuelles d'un système", explique Buca.

La théorie s'est déjà fait un nom en fournissant la première preuve mathématique d'une hypothèse de longue date en physique théorique.

Jusqu’à présent, l’hypothèse dite de la thermalisation des états propres était une hypothèse – une supposition éclairée – en physique qui n’avait pas encore été expliquée mathématiquement. Cela concerne la capacité des mathématiques à décrire les mouvements des systèmes quantiques dans leur ensemble.

Ainsi, la théorie de Buca a déjà démontré sa valeur en tant que recherche théorique fondamentale et accompli ce que les théoriciens considéraient depuis longtemps comme impossible. Bien que les résultats intéressent pour l'instant principalement les esprits brillants de la physique, les conséquences pourraient éventuellement être grandes pour nous tous.

Une boussole pour la carte au trésor de la mécanique quantique

Ces connaissances pourraient finir par ouvrir la voie à la recherche de matériaux quantiques aux propriétés si uniques qu'ils pourraient transformer notre monde.

Ces matériaux quantiques sont une condition préalable pour pouvoir attaquer certains des plus grands « oiseaux du monde » scientifiques, comme les ordinateurs quantiques stables ou même les supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante.

"Nous recherchons un matériau pour les ordinateurs quantiques capable de résister à l'entropie, une loi de la nature qui provoque la désintégration de systèmes complexes, par exemple les matériaux, en des formes moins complexes. L'entropie détruit la cohérence nécessaire à la stabilité et au fonctionnement des ordinateurs quantiques. " explique Buca.

Les systèmes mathématiques exotiques qui l'ont initialement inspiré et ont rendu possible ses avancées en matière de recherche pourraient bien être exactement ce dont un ordinateur quantique a besoin pour être vraiment utile.

"Les soi-disant qubits avec lesquels un ordinateur quantique fonctionne théoriquement doivent être dans un état de superposition pour fonctionner, ce qui signifie qu'ils sont simultanément activés et désactivés - en termes courants. Cela nécessite qu'ils soient dans un état quantique stable. Cependant, La thermodynamique n'aime pas les structures requises par les matériaux actuels. Ma théorie pourrait peut-être nous indiquer si ces systèmes exotiques peuvent être un moyen de structurer les choses afin que cet état quantique puisse être plus permanent", explique Buca.

La méthode ressemble un peu à une feuille de route qui peut guider les chercheurs à travers un vaste paysage de matériaux possibles en permettant de prédire comment ces matériaux se comporteraient dans des conditions expérimentales. Pour la première fois, cela donne aux chercheurs un moyen de cibler leur recherche sur des matériaux quantiques dotés de propriétés spéciales.

"Jusqu'à présent, la chasse à ces matériaux a été régie par le hasard. Mais mes résultats peuvent, pour la première fois, fournir un principe directeur à suivre lors de la recherche de propriétés uniques dans les matériaux", explique Buca.