Quels facteurs déterminent la vitesse à laquelle un ordinateur quantique peut effectuer ses calculs ? Des physiciens de l'Université de Bonn et du Technion - Israel Institute of Technology ont mis au point une expérience élégante pour répondre à cette question. Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Science Advances.
Les ordinateurs quantiques sont des machines très complexes qui s'appuient sur les principes de la mécanique quantique pour traiter l'information. Cela devrait leur permettre de résoudre certains problèmes à l'avenir, qui sont totalement insolubles pour les ordinateurs conventionnels.
Mais même pour les ordinateurs quantiques, il existe des limites fondamentales à la quantité de données qu'ils peuvent traiter dans un temps donné.
Les portes quantiques nécessitent un minimum de temps :
Les informations stockées dans les ordinateurs ordinaires peuvent être considérées comme une longue séquence de uns et de zéros, c'est-à-dire des bits.
En mécanique quantique, tout est différent : les informations sont stockées dans des bits quantiques (qubits), qui ressemblent à une onde, et non à une série de valeurs discrètes. Les physiciens parlent aussi de fonctions d'onde lorsqu'ils veulent représenter avec précision les informations contenues dans les qubits.
Dans un ordinateur traditionnel, les informations sont interconnectées par ce qu'on appelle une porte. La combinaison de plusieurs portes vous permet d'effectuer des calculs élémentaires tels que l'ajout de deux bits.
Les informations sont traitées de manière très similaire dans les ordinateurs quantiques, où les portes quantiques modifient la fonction d'onde selon certaines règles.
Les portes quantiques ressemblent à leurs cousines traditionnelles à un autre égard : « Même dans le monde quantique, les portes ne fonctionnent pas à une vitesse infinie », explique le Dr Andrea Alberti de l'Institut de physique appliquée de l'Université de Bonn. "Ils ont besoin d'un minimum de temps pour transformer la fonction d'onde et les informations qu'elle contient."
Il y a plus de 70 ans, les physiciens soviétiques Leonid Mandelstam et Igor Tamm ont théoriquement dérivé ce temps de transformation minimum pour la fonction d'onde. Des physiciens de l'Université de Bonn et du Technion ont été les premiers à étudier cette limite de Mandelstam-Tamm à l'aide d'une expérience sur un système quantique complexe.
Pour ce faire, ils ont utilisé des atomes de césium qui se déplaçaient de manière strictement contrôlée. « Dans une expérience, nous laissons des atomes individuels rouler comme des boules dans un bol de lumière et les regardons bouger », explique Andrea Alberti, qui a dirigé l'étude expérimentale.
Les atomes peuvent être décrits en mécanique quantique comme des ondes de matière. Au fur et à mesure qu'ils se déplacent vers le fond du bol lumineux, leurs informations quantiques changent. Les chercheurs ont voulu savoir comment cette « déformation » peut être détectée le plus tôt possible. Alors un tel temps deviendrait une preuve expérimentale de la limite de Mandelstam-Tamm.
Le problème, cependant, est que dans le monde quantique, chaque mesure de la position d'un atome modifie inévitablement l'onde matérielle de manière imprévisible. Par conséquent, il semble toujours être déformé, quelle que soit la rapidité avec laquelle la mesure est prise. « Par conséquent, nous avons développé une méthode différente pour détecter les écarts par rapport à la ligne de base », explique Andrea Alberti.
Pour cela, les chercheurs ont commencé par créer un clone de l'onde matérielle, c'est-à-dire un duplicata presque exact.
"Nous avons utilisé des impulsions lumineuses rapides pour créer ce qu'on appelle une superposition quantique de deux états d'un atome", explique Gal Ness, l'auteur de l'étude. "Au sens figuré, un atome se comporte comme s'il avait deux couleurs différentes en même temps."
Selon la couleur, chaque jumeau atomique prend sa propre position dans le bol lumineux : l'un est haut sur le bord et « roule vers le bas » à partir de là. L'autre, par contre, est déjà au fond du bol. Ce jumeau ne bouge pas et, par conséquent, ne change pas sa fonction d'onde.
Les physiciens comparaient régulièrement les deux clones. Ils l'ont fait en utilisant une technique appelée interférence quantique, qui permet de détecter très précisément les différences dans les ondes. Cela leur a permis de déterminer après quel temps une déformation significative de l'onde de matière s'est produite pour la première fois.
En modifiant la hauteur au-dessus du fond du bol au début de l'expérience, les physiciens pourraient également contrôler l'énergie moyenne de l'atome. Moyenne, car, en principe, il est impossible de déterminer le montant exact. Par conséquent, "l'énergie de position" d'un atome est toujours indéfinie.
"Nous avons pu démontrer que le temps minimum pour qu'une onde matérielle change dépend de cette incertitude énergétique", disent les scientifiques, "plus l'incertitude est grande, plus le temps Mandelstam-Tamm est court".
C'est exactement ce que les deux physiciens soviétiques ont prédit. Mais il y avait aussi un deuxième effet : si l'incertitude énergétique augmentait de plus en plus jusqu'à dépasser l'énergie atomique moyenne, alors le temps minimum ne diminuait pas davantage - contrairement à ce que supposait réellement la limite de Mandelstam-Tamm.
Ainsi, les physiciens ont prouvé la deuxième limite de vitesse, qui a été théoriquement découverte il y a environ 20 ans. Ainsi, la limite de vitesse dans le monde quantique est déterminée non seulement par l'incertitude de l'énergie, mais aussi par l'énergie moyenne.
2021-12-25 23:29:20
Auteur: Vitalii Babkin