Lorsque deux atomes sont « intriqués » en mécanique quantique, cela signifie que leurs spins, une propriété interne aux particules (à l’image de la masse), sont interdépendants. Cela signifie qu’ils s’influencent mutuellement, ils sont liés même à distance : chaque action sur l’un génère une action sur l’autre, comme les aiguilles de deux boussoles que vous poseriez à côté.
À travers la direction que prend le spin, les atomes intriqués (ou « enchevêtrés ») sont en conversation constante, au sens où l’information circule constamment entre eux et avec cohérence. C’est un peu comme si vous discutiez avec quelqu’un en étant sur la même longueur d’onde en permanence : vous savez à l’avance que la personne vous répondra « j’adore » quand vous lui demandez ce qu’elle pense de son plat favori. Avec les atomes intriqués, cette prédictibilité se vérifie tout au long de la discussion.
Le comportement des matériaux dépend de ce processus. « On pourrait voir cela comme un tchat groupé géant dans lequel les atomes échangent en permanence des informations quantiques », expliquent des physiciens à l’origine d’une étude publiée dans Science le 28 mai 2021 (version PDF). Dans leur expérience, ces scientifiques ont réussi à intercepter cette conversation entre deux atomes, une étape importante pour comprendre comment fonctionnent ces échanges d’informations.
Indiscrétions au cœur de l’intimité des atomes
Pour observer le phénomène, l’équipe de physiciens a utilisé une méthode très directe consistant à placer deux atomes de titane au sein d’un microscope à effet tunnel, au sein duquel une sonde sous forme de pointe permet de mesurer en temps réel les atomes, un par un, et même d’influer sur eux par des pulsions électriques. Le choix d’atomes de titane s’explique par la simplicité de leur spin : celui-ci ne peut aller que dans deux directions, en haut ou en bas, ce qui est pratique pour l’expérience. Les deux atomes n’étaient séparés que d’un nanomètre.
Représentation de l'expérience.
Source : TU Delft/Scixel
Les physiciens ont émis une impulsion vers l’un des atomes, ce qui a soudainement renversé son spin en le plaçant dans la direction opposée à sa position d’origine. Résultat ? L’interaction quantique a eu lieu, l’autre atome a réagi, et les scientifiques ont pu observer l »intrication se produire à travers le temps — c’est-à-dire au cours des 5 nanosecondes (15 milliardièmes d’une seconde) qu’a pris ce processus. Il est rare, pour les physiciens, de pouvoir observer en détail la réaction qui se produit lorsqu’un spin de deux atomes intriqués est soudainement inversé. Mais, grâce à la technique originale qu’ils ont utilisée ici, ils ont pu l’observer. C’est un peu comme si, dans le brouhaha des discussions dans un restaurant, vous pouviez zoomer sur un échange précis entre deux personnes et écouter chaque phrase échangée.
L’expérience est d’autant plus intéressante qu’elle apporte quelques éléments sur les spécificités du monde quantique. La décharge électrique devrait, normalement, créer du chaos, et non de la cohérence. Les électrons qui atteignent l’atome n’ont pas de cohérence particulière, et cette incohérence devrait être transférée au spin de l’atome. « Nous avons toujours supposé qu’au cours de ce processus, la délicate information quantique — la fameuse cohérence — était perdue. Après tout, les électrons sont incohérents. »
La mémoire quantique devrait alors être effacée par l’impulsion électrique. « Mais du point de vue du système combiné comprenant les deux atomes, la situation résultante n’est pas du tout aussi banale », expliquent les physiciens. L’intrication perdure bel et bien. « Pour les deux atomes réunis, le nouvel état constitue une superposition parfaite, permettant l’échange d’informations entre eux. Pour que cela se produise, il est essentiel que les deux spins s’enchevêtrent : un état quantique particulier dans lequel ils partagent plus d’informations l’un sur l’autre que ce qui est classiquement possible. »
Ce type de recherches apporte de nouvelles connaissances pour les avancées dans l’informatique quantique, afin de comprendre et maitriser l’enchevêtrement des spins. Mais le défi va être, notamment, de reproduire ces observations à plus grande échelle. Et ce n’est pas gagné : « Ici, nous avons utilisé deux atomes, mais que se passe-t-il quand on en utilise trois ? Ou dix, ou mille ? Personne ne peut le prévoir, car la puissance de calcul est insuffisante pour de tels nombres. Peut-être qu’un jour, nous serons capables d’écouter des conversations quantiques que personne n’a jamais pu entendre auparavant. »
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