De gros chats quantiques

Pas besoin d'être un spécialiste de la physique quantique pour avoir déjà entendu parler du célèbre chat de Schr?dinger. Erwin Schr?dinger a inventé le chat, qui peut être à la fois vivant et mort, lors d'une expérience de pensée en 1935. La contradiction apparente - après tout, dans la vie quotidienne, nous ne voyons que des chats qui sont soit vivants, soit morts. ou Les scientifiques ont été poussés à tenter de recréer des situations analogues en laboratoire. Jusqu'à présent, ils y sont parvenus, par exemple, avec des atomes ou des molécules dans des états de superposition de la mécanique quantique, dans lesquels les particules se trouvent à deux endroits en même temps.

A l'ETH, une équipe de recherche dirigée par Yiwen Chu, professeure au Laboratoire de physique des solides, a placé un petit cristal dans une superposition de deux états d'oscillation, créant ainsi un chat de Schr?dinger nettement plus lourd. Les résultats de l'équipe, publiés cette semaine dans la revue Science, pourraient conduire à des bits quantiques plus robustes et faire la lumière sur l'énigme de savoir pourquoi les superpositions quantiques ne sont pas observées dans le monde macroscopique.

Chat dans la bo?te

Dans l'expérience de pensée initiale de Schr?dinger, un chat est enfermé dans une bo?te métallique avec une substance radioactive, un compteur Geiger et un flacon de poison. Dans un laps de temps donné - par exemple une heure - un atome de la substance peut ou non se désintégrer par un processus de mécanique quantique. Le processus de désintégration déclencherait le compteur Geiger et, par le biais d'un mécanisme, briserait la fiole de poison, tuant finalement le chat. Comme un observateur extérieur ne peut pas savoir si l'atome s'est effectivement désintégré, il ou elle ne sait pas non plus si le chat est vivant ou mort - selon la mécanique quantique, qui détermine la désintégration de l'atome, il devrait se trouver dans un état de superposition vivant/mort. (Devant l'ancienne maison de Schr?dinger, Huttenstrasse 9 à Zurich, une statue de chat grandeur nature rappelle cette idée).

"Bien s?r, nous ne pouvons pas réaliser une telle expérience en laboratoire avec un vrai chat de plusieurs kilos", explique Chu. Au lieu de cela, elle et ses collaborateurs ont réussi à créer ce que l'on appelle un état félin avec un cristal oscillant représentant le chat et un circuit supraconducteur qui joue le r?le de l'atome d'origine. Le circuit est essentiellement un bit quantique ou qubit, qui peut prendre les états logiques "0" ou "1" ou une superposition, "0+1", des deux états. Le lien entre le qubit et le "chat" de cristal n'est pas un compteur Geiger ni un poison, mais une couche de matériau piézoélectrique qui génère un champ électrique lorsque le cristal change de forme pendant les oscillations. Ce champ électrique peut être couplé au champ électrique du qubit, ce qui permet de transmettre l'état de superposition du qubit au cristal.

Des oscillations simultanées dans des directions opposées

Il en résulte que le cristal peut désormais osciller simultanément dans deux directions - par exemple haut/bas et bas/haut. Ces deux directions représentent les états "vivant" ou "mort" du chat. "En superposant les deux états vibratoires du cristal, nous avons effectivement fabriqué un chat de Schr?dinger qui pèse 16 microgrammes", explique Chu. C'est à peu près la masse d'un grain de sable fin, bien loin de celle d'un chat, mais tout de même plusieurs milliards de fois plus lourd qu'un atome ou une molécule, ce qui en fait le chat quantique le plus gros à ce jour.

Pour que les états vibratoires puissent être considérés comme de véritables états félins, il est important qu'ils puissent être distingués au niveau macroscopique. Cela signifie que la distance entre les états "haut" et "bas" devrait être plus grande que les fluctuations thermiques ou quantiques des positions des atomes dans le cristal. Chu et ses collègues ont vérifié cela en mesurant la distance spatiale entre les deux états à l'aide du qubit. Bien que la distance mesurée ne soit que d'un milliardième de milliardième de mètre, et donc plus petite qu'un atome, elle a été suffisante pour distinguer clairement les états l'un de l'autre.

Mesure de petites perturbations avec des états de chat

A l'avenir, Chu souhaite repousser encore plus loin la limite de masse de ses chats de cristal. "C'est intéressant parce que cela nous permet de mieux comprendre les raisons de la disparition des effets quantiques dans le monde macroscopique des vrais chats", explique-t-elle. Mais au-delà de cet intérêt plus académique, il y a aussi des applications possibles dans les technologies quantiques. Ainsi, l'information quantique stockée dans les qubits pourrait être rendue plus robuste en utilisant, au lieu des atomes ou des ions individuels utilisés jusqu'à présent, des états de chat composés d'un très grand nombre d'atomes dans un cristal. En outre, l'extrême sensibilité des objets lourds dans les états de superposition aux influences extérieures pourrait être utilisée pour des mesures plus précises de petites perturbations, comme les ondes gravitationnelles, ou pour la détection de la matière noire.