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Physique. L'ordre peut-il succéder au désordre ?

La réponse à cette question a toujours été négative. Aujourd'hui cependant, une nouvelle expérience semble montrer que ce n'est pas toujours le cas dans certains dispositifs physiques.

La 2e loi de la thermodynamique  pose en principe fondamental de la nature que, sauf intervention extérieure, partout et en tout temps le désordre (dit aussi entropie), succède à l'ordre. L'inverse ne serait pas possible. Si cela était possible, l'état actuel du monde, caractérisé par une entropie maximale des atomes constituant tout ce qui existe, pourrait revenir à l'état initial caractérisant pense-t-on l'univers, à sa naissance, soit quelques atomes d'hydrogène.

Toutes les expériences de physique et de chimie confirment actuellement cette loi. Ainsi, si l'on ouvre une casserole d'eau bouillante, les molécules d'eau chaude qu'elle contient se répandent dans l'atmosphère. Il serait impossible qu'elles puissent à nouveau se retrouver concentrées dans la casserole. C'est un phénomène que l'on nomme la thermalisation, ou retour à l'équilibre thermodynamique, les molécules d'eau se retrouvant partout à la même température.

Cependant cette loi semble aujourd'hui  remise en cause dans certains dispositifs expérimentaux en physique, pouvant trouver des applications en physique quantique. Rappelons que la matière quantique s'éloigne  sur de nombreux points des lois physiques dites macroscopiques, Ainsi dans le monde quantique, des expériences incontestables montrent que les atomes quantiques (qu-bits) peuvent remonter le temps, ne pas tenir compte de l'espace, se retrouver liées par un phénomène dit intrication ou se superposer l'une à l'autre.

Ainsi il n'est pas possible de caractériser en même temps leur état et leur mouvement. Seules, les probabilités, comme l'a posé depuis bientôt un siècle le Principe d'indétermination de Heisenberg, permettent de définir ces deux paramètres. Toutes les expériences conduites depuis lors ont montré la justesse de ce principe. Le Principe ne peut être remis en cause que par l'intervention d'un observateur extérieur. Celui-ci fait de matière macroscopique réintègre les atomes quantiques observés dans le monde de la physique classique.

Aujourd'hui cependant une équipe de physiciens a montré qu'en alignant en rangée 51 atomes de rubidium, tenus en place par des lasers et présentant des états différents d'énergie, haute ou basse énergie, et en les excitant, ces atomes se sont dans un premier temps dispersés pour atteindre une énergie moyenne à tous, autrement dit un état stable dit de thermalisation. Mais presque instantanément après, ils se sont remis spontanément dans l'alignement initial c'est-à-dire en présentant des états différents d'énergie. Ils se sont ensuite dispersés à nouveau puis remis dans l'ordre initial, ceci plusieurs fois dans le temps de l'expérience, soit quelques microsecondes. Ce n'est qu'après un certain temps qu'ils se sont tous retrouvés dans le même état d'énergie moyenne.

En fait l'équipe, en construisant ce système de 51 atomes, avait voulu réaliser un « simulateur quantique » destiné à simuler des processus susceptibles de se produire dans un calculateur quantique et impossibles à obtenir dans un calculateur ordinaire. Les atomes dans leur système jouent le rôle de bits quantiques (qu-bits) pouvant dans un calculateur quantique passer plusieurs fois d'un état initial à un état excité,

Les chercheurs, dirigés par le physicien Michaël Lukin, de Harvard, ont nommé ce phénomène  “quantum many-body scarring” , le verbe To scare pris dans le sens de faire peur, effrayer, comme si l'expérience à laquelle ils avaient soumis les atomes de rubidium les avait effrayés au point de leur faire perdre leurs réflexes ordinaires et les faire revenir plusieurs fois dans leur état initial, après avoir été effrayés, si l'expérience se renouvelait. De même dirions nous qu'un chien effrayé par un bruit rentre dans sa niche chaque fois que le bruit se reproduit.

Ils ont publié en novembre 2017 un article dans Nature, relatant cette expérience et intitulé Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator. On en trouvera ci-dessous les références.

Applications possibles dans les calculateurs quantiques

De nombreuses discussions ont eu lieu ensuite entre physiciens, relatives à la pertinence de l'expérience et aux conclusions à en tirer. Nous renvoyons à l'article de Quanta Magazine référencé ci-dessus qui précise ces discussions et les conclusions susceptibles d'en tirer. Retenons seulement un point très important.

Si l'expérience relatée dans l'article de Nature était confirmée, il en résulterait une conclusion très importantes à en tirer relativement à la possibilité de réaliser des calculateurs quantiques disposant d'un nombre suffisants de qu-bits (plusieurs dizaines au moins) leur permettant de concurrencer puis de surpasser les calculateurs numériques actuels. Or les qu-bits sont très instables, le moindre changement de température, la moindre interaction avec un atome extérieur les faits régresser à l'état de bits ordinaires. Les calculateurs quantiques doivent donc être placés dans des états de confinement tels qu'ils ne perdent pas leurs propriété quantique. On a pu le faire jusqu'à présent pour quelques qu-bits, mais pas pour un nombre suffisant d'entre eux leur permettant de concurrencer les millions de bits d'un calculateur ordinaire.

Rappelons que les particules quantiques manifestent un caractère dit d'intrication quantique. On désigne par ce terme un phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) forment un système lié et présentent des états quantiques dépendants l'un de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare. Si des qu-bits deviennent intriqués, leur intrication se répand à l'ensemble des autres, ce qui produit un système thermalisé, dans lequel ils se retrouvent tous dans le même état. Les calculs deviennent alors impossibles.

Restera à comprendre les raisons faisant que dans le simulateur de Michaêl Lukin, les atomes de rubidium se comportent de la façon extraordinaire qui est la leur, passant plusieurs fois d'un état excité à un non état non excité, au lieu d'adapter tous progressivement un niveau d'excitation homogène. Restera aussi bien évidemment à vérifier si des dispositifs analogues pourraient être adoptés dans des calculateurs quantiques comportant des centaines de qu.bit.

Référence

Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator https://www.nature.com/articles/nature24622

Abstract

Controllable, coherent many-body systems can provide insights into the fundamental properties of quantum matter, enable the realization of new quantum phases and could ultimately lead to computational systems that outperform existing computers based on classical approaches. Here we demonstrate a method for creating controlled many-body quantum matter that combines deterministically prepared, reconfigurable arrays of individually trapped cold atoms with strong, coherent interactions enabled by excitation to Rydberg states. We realize a programmable Ising-type quantum spin model with tunable interactions and system sizes of up to 51 qubits. Within this model, we observe phase transitions into spatially ordered states that break various discrete symmetries, verify the high-fidelity preparation of these states and investigate the dynamics across the phase transition in large arrays of atoms. In particular, we observe robust many-body dynamics corresponding to persistent oscillations of the order after a rapid quantum quench that results from a sudden transition across the phase boundary. Our method provides a way of exploring many-body phenomena on a programmable quantum simulator and could enable realizations of new quantum algorithms.

Pour plus de détails

Voir l'article de Quanta Magazine publié en mars 2019

https://www.quantamagazine.org/quantum-scarring-appears-to-defy-universes-push-for-disorder-20190320/

 

25/03/2019

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