Il existe différentes idées sur la façon dont les ordinateurs quantiques pourraient être construits. Mais ils ont tous une chose en commun :vous utilisez un système physique quantique – par exemple des atomes individuels – et vous modifiez leur état en les exposant à des forces très spécifiques pendant un temps précis. Cependant, cela signifie que pour pouvoir compter sur l'opération d'informatique quantique fournissant le résultat correct, vous avez besoin d'une horloge aussi précise que possible.
Mais ici, vous rencontrez des problèmes :une mesure parfaite du temps est impossible. Chaque horloge possède deux propriétés fondamentales :une certaine précision et une certaine résolution temporelle. La résolution temporelle indique à quel point les intervalles de temps pouvant être mesurés sont petits, c'est-à-dire à quelle vitesse l'horloge tourne. La précision vous indique le degré d'inexactitude auquel vous devez vous attendre à chaque tick.
L’équipe de recherche a pu montrer que, puisqu’aucune horloge ne dispose d’une quantité infinie d’énergie (ou ne génère une quantité infinie d’entropie), elle ne peut jamais avoir à la fois une résolution parfaite et une précision parfaite. Cela pose des limites fondamentales aux possibilités des ordinateurs quantiques.
Dans notre monde classique, les opérations arithmétiques parfaites ne posent pas de problème. Par exemple, vous pouvez utiliser un boulier dans lequel des boules de bois sont enfilées sur un bâton et poussées d'avant en arrière. Les perles en bois ont des états clairs, chacune est à un endroit bien précis, si vous ne faites rien la perle restera exactement là où elle était.
Et que vous déplaciez la perle rapidement ou lentement n'affecte pas le résultat. Mais en physique quantique, c'est plus compliqué.
"Mathématiquement parlant, changer un état quantique dans un ordinateur quantique correspond à une rotation dans des dimensions supérieures", explique Jake Xuereb de l'Institut atomique de l'Université de technologie de Vienne dans l'équipe de Marcus Huber et premier auteur du premier article publié dans Lettres d'examen physique . "Afin d'atteindre l'état souhaité au final, la rotation doit être appliquée pendant une période de temps très spécifique. Sinon, vous tournez l'état soit trop court, soit trop loin."
Marcus Huber et son équipe ont étudié de manière générale quelles lois doivent toujours s'appliquer à chaque horloge imaginable. "La mesure du temps est toujours liée à l'entropie", explique Marcus Huber. Dans tout système physique fermé, l’entropie augmente et devient de plus en plus désordonnée. C'est précisément cette évolution qui détermine la direction du temps :le futur est celui où l'entropie est la plus élevée, et le passé est celui où l'entropie est encore plus faible.
Comme on peut le montrer, chaque mesure du temps est inévitablement associée à une augmentation de l'entropie :une horloge, par exemple, a besoin d'une pile, dont l'énergie est finalement convertie en chaleur de friction et en tic-tac audible via la mécanique de l'horloge – un processus dans lequel un état assez ordonné se produit, la batterie est convertie en un état plutôt désordonné de rayonnement thermique et de son.
Sur cette base, l’équipe de recherche a pu créer un modèle mathématique auquel toutes les horloges imaginables doivent obéir. "Pour une augmentation donnée de l'entropie, il existe un compromis entre la résolution temporelle et la précision", explique Florian Meier, premier auteur du deuxième article, désormais publié sur arXiv. serveur de préimpression. "Cela signifie :soit l'horloge fonctionne rapidement, soit elle fonctionne avec précision :les deux ne sont pas possibles en même temps."
Cette prise de conscience entraîne désormais une limite naturelle pour les ordinateurs quantiques :la résolution et la précision pouvant être obtenues avec les horloges limitent la vitesse et la fiabilité pouvant être obtenues avec les ordinateurs quantiques. "Ce n'est pas un problème pour le moment", déclare Huber.
"Actuellement, la précision des ordinateurs quantiques est encore limitée par d'autres facteurs, par exemple la précision des composants utilisés ou les champs électromagnétiques. Mais nos calculs montrent également qu'aujourd'hui nous ne sommes pas loin du régime dans lequel les limites fondamentales de la mesure du temps jouer le rôle décisif."
Par conséquent, si la technologie du traitement de l’information quantique est encore améliorée, nous serons inévitablement confrontés au problème de la mesure du temps non optimale. Mais qui sait :c'est peut-être exactement ainsi que nous pourrons apprendre quelque chose d'intéressant sur le monde quantique.
Plus d'informations : Florian Meier et al, Compromis fondamental précision-résolution pour les appareils de chronométrage, arXiv (2023). DOI :10.48550/arxiv.2301.05173
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , arXiv
Fourni par l'Université de technologie de Vienne
