Gros chats quantiques

Même si vous n'êtes pas physicienne ou physicien quantique, vous avez certainement entendu parler du célèbre chat de Schrödinger. Erwin Schrödinger a eu l'idée de ce félin qui peut être à la fois vivant et mort lors d'une expérience de pensée en 1935. La contradiction évidente - après tout, dans la vie de tous les jours, nous ne voyons que des chats qui sont soit vivants, soit morts - a incité les scientifiques à essayer de réaliser des situations analogues en laboratoire. Jusqu'à présent, ils et elles ont réussi à le faire en utilisant, par exemple, des atomes ou des molécules dans des états de superposition mécanique quantique, c'est-à-dire à deux endroits en même temps.

À l'ETH Zurich, une équipe de recherche dirigée par Yiwen Chu, professeure au Laboratoire de physique des solides, a créé un chat de Schrödinger nettement plus lourd en plaçant un petit cristal dans une superposition de deux états d'oscillation. Leurs résultats, publiés cette semaine dans la revue scientifique Science, pourraient déboucher sur des bits quantiques plus robustes et éclaircir le mystère de l'inobservation des superpositions quantiques dans le monde macroscopique.

Un chat dans une boîte

Dans l'expérience de pensée originale de Schrödinger, un chat est enfermé dans une boîte métallique avec une substance radioactive, un compteur Geiger et une fiole de poison. Dans un certain laps de temps - une heure, par exemple - un atome de la substance peut ou non se désintégrer par un processus mécanique quantique avec une certaine probabilité, et les produits de la désintégration peuvent faire s'éteindre le compteur Geiger et déclencher un mécanisme qui brise la fiole contenant le poison, ce qui finirait par tuer le chat. Étant donné qu'une observatrice ou un observateur extérieur ne peut pas savoir si un atome s'est réellement désintégré, il ne peut pas non plus savoir si le chat est vivant ou mort - selon la mécanique quantique, qui régit la désintégration de l'atome, il devrait se trouver dans un état de superposition vivant/mort. (L'idée de Schrödinger est commémorée par une figure de chat grandeur nature à l'extérieur de son ancienne maison, Huttenstrasse 9 à Zurich).

«Bien sûr, en laboratoire, nous ne pouvons pas réaliser une telle expérience avec un vrai chat pesant plusieurs kilogrammes», explique Yiwen Chu. Au lieu de cela, elle et ses collègues ont réussi à créer ce que l'on appelle un état de chat en utilisant un cristal oscillant, qui représente le chat, avec un circuit supraconducteur représentant l'atome d'origine. Ce circuit est essentiellement un bit quantique ou qubit qui peut prendre les états logiques «0» ou «1» ou une superposition des deux états, «0+1». Le lien entre le qubit et le cristal «chat» n'est pas un compteur Geiger et un poison, mais plutôt une couche de matériau piézoélectrique qui crée un champ électrique lorsque le cristal change de forme en oscillant. Ce champ électrique peut être couplé au champ électrique du qubit, et donc l'état de superposition du qubit peut être transféré au cristal.

Oscillations simultanées dans des directions opposées

Par conséquent, le cristal peut maintenant osciller dans deux directions en même temps - haut/bas et bas/haut, par exemple. Ces deux directions représentent les états «vivant» ou «mort» du chat. «En mettant les deux états d'oscillation du cristal en superposition, nous avons effectivement créé un chat de Schrödinger pesant 16 microgrammes», explique Yiwen Chu. C'est à peu près la masse d'un grain de sable et loin de celle d'un chat, mais 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 d'oscillation soient de véritables états de chat, il est important qu'ils puissent être distingués macroscopiquement. Cela signifie que la séparation entre les états «haut» et «bas» doit être plus importante que les fluctuations thermiques ou quantiques des positions des atomes à l'intérieur du cristal. Yiwen Chu et ses collègues ont vérifié cela en mesurant la séparation spatiale des deux états à l'aide du qubit supraconducteur. Même si la séparation mesurée n'était que d'un milliardième de milliardième de mètre - plus petite qu'un atome, en fait - elle était suffisamment importante pour distinguer clairement les deux états.

Mesure de petites perturbations avec des états de chat

À l'avenir, Yiwen Chu aimerait repousser encore plus loin les limites de masse de ses chats de cristal. «C'est intéressant car cela nous permettra de mieux comprendre la raison de la disparition des effets quantiques dans le monde macroscopique des vrais chats», explique-t-elle. Au-delà de cet intérêt plutôt académique, il existe également des applications potentielles dans les technologies quantiques. Par exemple, les informations quantiques stockées dans des qubits pourraient être rendues plus robustes en utilisant des états de chat constitués d'un très grand nombre d'atomes dans un cristal plutôt que de s'appuyer sur des atomes ou des ions uniques, comme c'est le cas actuellement. De même, l'extrême sensibilité des objets massifs en état de superposition aux bruits extérieurs pourrait être exploitée pour mesurer avec précision de minuscules perturbations telles que les ondes gravitationnelles ou pour détecter la matière noire.