La limite de vitesse s'applique également au monde quantique

Même dans le monde des plus petites particules avec ses propres règles spéciales, tout ne peut pas aller infiniment vite. Des physiciens de l'Université de Bonn ont montré quelle est la limite de vitesse pour des opérations quantiques complexes.

Des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology, des universités de Hambourg, de Cologne et de Padoue et du Julich Research Center ont également participé à l'étude. Les résultats obtenus sont importants, en particulier, pour la mise en œuvre des ordinateurs quantiques. Ils sont publiés dans la revue Physical Review X et traités dans la revue Physics of the American Physical Society.

Disons que vous regardez un serveur qui doit servir un plateau entier de coupes à champagne le soir du Nouvel An quelques minutes avant minuit. Il se précipite d'invité à invité à toute vitesse. Grâce à sa technique affinée au fil des années, il parvient néanmoins à ne pas renverser une seule goutte de liquide précieux.

Une petite astuce l'aide en cela: pendant que le serveur accélère son pas, il incline légèrement le plateau pour que le champagne ne déborde pas des verres. A mi-chemin de la table, il l'incline dans la direction opposée et ralentit. Ce n'est que lorsqu'il s'arrête complètement qu'il le tient à nouveau debout.

Les atomes sont un peu comme le 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. Par conséquent, quiconque souhaite déplacer des atomes d'un endroit à un autre le plus rapidement possible doit être aussi habile qu'un serveur le soir du Nouvel An.

Et même dans ce cas, il y a une limite de vitesse que ce transport ne peut dépasser », explique le Dr Andrea Alberti, qui a dirigé la recherche à l'Institut de physique appliquée de l'Université de Bonn.

Dans leur étude, les scientifiques ont étudié expérimentalement où se situe exactement cette limite. Ils utilisaient un atome de césium comme substitut du champagne et deux faisceaux laser parfaitement superposés l'un sur l'autre, mais dirigés l'un contre l'autre comme un plateau. Cette superposition, appelée interférence par les physiciens, crée une onde de lumière stationnaire: une série de pics et de vallées qui ne bougent pas initialement. Nous avons chargé un atome dans l'un de ces creux, puis mis en mouvement une onde stationnaire - cela a déplacé la position du creux lui-même, dit Andrea Alberti. - Notre objectif était de livrer l'atome au bon endroit dans les plus brefs délais, sans l'éclabousser, pour ainsi dire, hors de la cavité.

Le fait qu'il y ait une limite de vitesse dans le microcosme a déjà été prouvé en théorie par deux physiciens soviétiques - Leonid Mandelstam et Igor Tamm il y a plus de 60 ans. Ils ont montré que la vitesse maximale d'un processus quantique dépend de l'incertitude énergétique, c'est-à-dire de la «liberté» de la particule manipulée par rapport à ses états énergétiques possibles: plus elle a de liberté énergétique, plus elle est rapide.

Dans le cas du transfert d'atomes, par exemple, plus la cavité dans laquelle l'atome de césium tombe est profonde, plus les énergies des états quantiques y sont dispersées, et finalement plus l'atome peut être transféré rapidement. Quelque chose de similaire peut être observé dans l'exemple d'un serveur: s'il ne remplit ses verres qu'à moitié, il risque moins que du champagne se répande lorsqu'il accélère et ralentit. Cependant, la liberté énergétique d'une particule ne peut pas être augmentée arbitrairement. Nous ne pouvons pas rendre notre dépression infiniment profonde - cela nous coûtera trop d'énergie, - souligne Alberti.

La limite de vitesse de Mandelstam et Tamm est une limite fondamentale. Cependant, cela ne peut être réalisé que dans certaines circonstances, à savoir dans des systèmes à deux états quantiques.

Dans notre cas, par exemple, cela se produit lorsque le point de départ et la destination sont très proches l'un de l'autre, explique le physicien. -Ensuite, les ondes de matière de l'atome aux deux endroits se superposent et l'atome peut être livré directement à sa destination en une seule fois, c'est-à-dire sans aucun arrêt intermédiaire - presque comme une téléportation sur le vaisseau spatial Enterprise de Star Randonnée.

Cependant, la situation est différente lorsque la distance augmente à plusieurs dizaines de longueurs d'onde de la matière, comme dans l'expérience de Bonn. Pour de telles distances, la téléportation directe est impossible. Au lieu de cela, la particule doit passer par plusieurs états intermédiaires pour atteindre sa destination finale: un système à deux niveaux devient un système à plusieurs niveaux.

L'étude montre qu'une limite de vitesse plus basse est applicable à de tels processus que celle prédite par les deux physiciens soviétiques: elle est déterminée non seulement par l'incertitude énergétique, mais aussi par le nombre d'états intermédiaires. Ainsi, le travail améliore la compréhension théorique des processus quantiques complexes et de leurs limites.

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 en couches. Cependant, les états quantiques sont très fragiles. Ils ne durent que pendant une courte période de temps, que les physiciens appellent le temps de cohérence.

Par conséquent, il est important de regrouper autant d'opérations de calcul que possible à ce stade. Notre recherche montre le nombre maximum d'opérations que nous pouvons effectuer pendant le temps de cohérence, explique Andrea Alberti. Cela lui permet d'être utilisé de manière optimale.