Les physiciens créent le plus grand

Jun 05, 2023

Les physiciens ont placé le plus grand objet jamais créé dans une superposition quantique

Un cristal de saphir pesant 16 microgrammes est le plus grand objet qui ait jamais existé dans une superposition mécanique quantique de deux états vibrationnels. Des chercheurs du Hybrid Quantum Systems Group de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) ont excité le cristal dans des vibrations telles que ses atomes oscillaient d'avant en arrière simultanément et dans deux directions opposées, plaçant le cristal entier dans ce qu'on appelle un état de superposition quantique.

Comme le rapporte le groupe de recherche dans Science, cette condition ressemble beaucoup à celle du chat dans la célèbre expérience de pensée du physicien Erwin Schrödinger. Dans le scénario de mécanique quantique de Schrödinger, un chat est simultanément vivant et mort, en fonction de la désintégration d'un atome qui libère une fiole de poison. Le cristal de saphir de la nouvelle expérience a été placé dans l'équivalent macroscopique de cet "état de chat". De tels états peuvent aider les scientifiques à comprendre comment et pourquoi les lois du monde quantique se transforment en règles de la physique classique pour les objets plus grands.

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Pour que le saphir, composé d'environ 1017 atomes, se comporte comme un objet de mécanique quantique, le groupe de recherche l'a fait osciller et l'a couplé à un circuit supraconducteur. (Dans les termes de l'expérience de pensée originale, le saphir était le chat et le circuit supraconducteur était l'atome en décomposition.) Le circuit a été utilisé comme un qubit, ou un bit d'information quantique qui est simultanément dans les états "0" et " 1." La superposition du circuit a ensuite été transférée à l'oscillation du cristal. Ainsi, les atomes dans le cristal pourraient se déplacer dans deux directions en même temps - par exemple, vers le haut et vers le bas - tout comme le chat de Schrödinger est mort et vivant en même temps.

Il est important de noter que la distance entre ces deux états (vivant et mort ou haut et bas) devait être supérieure à la distance attribuée au principe d'incertitude quantique, ce que les scientifiques de l'ETH Zurich ont confirmé. En utilisant le qubit supraconducteur, les chercheurs ont réussi à déterminer la distance entre les deux états vibrationnels du cristal. À environ deux milliardièmes de nanomètre, c'est minuscule, mais toujours assez grand pour distinguer ces deux états l'un de l'autre sans aucun doute.

Ces découvertes ont "repoussé les limites de ce qui peut être considéré comme de la mécanique quantique dans une véritable expérience de laboratoire", déclare Shlomi Kotler, une physicienne qui étudie les circuits de mécanique quantique à l'Université hébraïque de Jérusalem. Kotler n'a pas participé à l'étude.

Pour les objets de mécanique quantique - existant à l'échelle des atomes et des particules subatomiques - de telles superpositions d'états classiquement incompatibles sont courantes. Les objets macroscopiques constitués de très nombreux atomes, en revanche, obéissent normalement à la mécanique classique : ils ne peuvent prendre simultanément deux états contradictoires. Tout comme un chat ne peut pas être vivant et mort en même temps, un cristal ne peut pas vibrer de haut en bas en même temps. Le grand casse-tête ici, cependant, est pourquoi il ne le peut généralement pas. Après tout, quelle que soit la taille d'un objet, il est composé d'atomes et de particules subatomiques qui obéissent aux règles de la physique quantique.

Kotler note que trouver des états de chat plus grands est un moyen de "repousser la limite" des objets de mécanique quantique observés - dans ce cas, en démontrant que quelque chose d'aussi massif que 16 microgrammes peut exister dans cet état. (Bien que, pour être clair, 16 microgrammes sont encore microscopiques.)

Il existe plusieurs explications possibles pour expliquer pourquoi les objets plus grands ne suivent pas la mécanique quantique. Par exemple, à mesure que le nombre d'atomes augmente, peut-être que de plus en plus d'influences provoquent la désintégration des états de la mécanique quantique. Une autre possibilité est que la gravité joue un rôle. L'espoir est que des États félins de plus en plus grands puissent éventuellement aider à résoudre l'énigme du chat de Schrödinger.

En effet, Matteo Fadel de l'ETH Zurich, qui a codirigé l'étude avec Marius Bild et Yu Yang, espère s'appuyer sur le succès de l'équipe avec le saphir et le supraconducteur pour tester certaines de ces possibilités. "Je suis intéressé par l'exploration du potentiel de nos appareils pour étudier la physique fondamentale, y compris la phénoménologie de la gravité quantique à basse énergie", a déclaré Fadel.

Des états quantiques macroscopiques stables et contrôlables, tels que ceux créés dans cette étude, présentent également un intérêt technique. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans des méthodes de correction d'erreurs au sein d'ordinateurs quantiques de plus en plus complexes. Kotler explique que l'informatique quantique pourrait s'appuyer sur des dispositifs qui relient des composants électriques pour le traitement et des objets mécaniques pour la mémoire, tout comme les auteurs de cet article ont couplé une coudée supraconductrice au cristal de saphir.

Cet article a paru à l'origine dans Spektrum der Wissenschaft et a été reproduit avec permission.

Note de l'éditeur (16/05/23): Cet article a été mis à jour après sa publication pour clarifier que Matteo Fadel a co-dirigé l'étude et pour ajouter des informations supplémentaires sur le groupe de recherche.

Lars Fischerest chimiste et travaille comme journaliste et éditeur à Spektrum der Wissenschaft.

Marguerite Yuhas édite la colonne scientifique américaine Mind Matters. Elle est journaliste scientifique indépendante et rédactrice basée à Austin, Texas. Suivez Yuhas sur Twitter @DaisyYuhas Crédit : Nick Higgins

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Les rédacteurs

Rina Diane Caballar