Une limite de vitesse s’applique également dans le monde quantique


Jülich, 22 février 2021 – Même dans le monde des plus petites particules avec leurs propres règles spéciales, les choses ne peuvent pas avancer infiniment vite. Les physiciens ont maintenant montré quelle limite de vitesse s’applique aux opérations quantiques complexes. L’étude a impliqué des chercheurs des universités de Bonn, Hambourg, Cologne et Padoue, ainsi que du MIT américain et du Forschungszentrum Jülich. Les résultats sont importants pour la réalisation d’ordinateurs quantiques, entre autres.

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

Les atomes sont à certains égards similaires au champagne. Ils peuvent être décrits comme des ondes de matière, qui ne se comportent pas comme une boule de billard mais plutôt comme un liquide. Quiconque souhaite transporter des atomes d’un endroit à un autre le plus rapidement possible doit donc être aussi habile que le serveur du réveillon du Nouvel An.

Quelque part, cependant, il y a une limite au-delà de laquelle le processus ne peut pas être accéléré. Cela vaut autant pour les atomes que pour les verres à champagne sur le plateau. Les chercheurs ont maintenant étudié expérimentalement exactement où se situe cette limite. Les résultats ont été publiés dans la célèbre revue Physical Review X.

Atome de césium comme substitut du champagne

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 crée une onde stationnaire de lumière: une séquence de montagnes et de vallées dans laquelle l’atome de césium peut être capturé et transporté.


Transport einer Materiewelle mittels stehender Lichtwellen
Transport des ondes de matière par ondes lumineuses stationnaires

Copyright: MR Lam et al., Démonstration de brachistochrones quantiques entre états distants d’un atome, Phys. Rév.X, https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.011035 (CC BY 4.0)

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 cependant très fragiles. Ils ne durent qu’un court laps de temps, que les physiciens appellent temps de cohérence. Il est donc important de regrouper autant d’opérations de calcul que possible dans ce temps.

Limite pour les opérations complexes

Le fait qu’une limite de vitesse fondamentale s’applique également au transport quantique a déjà été théoriquement démontré par les deux physiciens soviétiques Leonid Mandelstam et Igor Tamm dès le milieu du siècle dernier. Cependant, on ne peut l’atteindre que dans certaines circonstances, à savoir dans des systèmes avec seulement deux états quantiques.

La situation est cependant différente lorsque le système à deux niveaux devient un système à plusieurs niveaux. Par exemple, parce que la distance augmente à plusieurs dizaines de largeurs d’onde de matière comme dans l’expérience de Bonn et que la particule change de position en plusieurs étapes intermédiaires. En outre, les calculs possibles avec les ordinateurs quantiques sont principalement basés sur la manipulation de systèmes à plusieurs niveaux. L’étude montre qu’une limite de vitesse inférieure s’applique à ces processus par rapport à celle prédite par les deux physiciens soviétiques.

Publication originale:

Manolo R. Lam, Natalie Peter, Thorsten Groh, Wolfgang Alt, Carsten Robens, Dieter Meschede, Antonio Negretti, Simone Montangero, Tommaso Calarco et Andrea Alberti:

Démonstration de brachistochrones quantiques entre états distants d’un atome

Physical Review X (publié en ligne le 19 février 2021), DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.011035

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