Des physiciens américains de l’Université de Princeton ont réussi pour la première fois à provoquer et contrôler une intrication quantique entre deux molécules. Ce phénomène d’intrication quantique se manifeste quand deux particules (ou groupes de particules) sont liées de manière à ce que l’état quantique de l’une influence instantanément l’état quantique de l’autre, indépendamment de la distance qui les sépare.
Cette caractéristique, initialement considérée comme irréelle par Einstein, est désormais reconnue comme un principe fondamental de la physique quantique.
Une telle capacité d’interaction à distance entre molécules, et non plus simplement entre atomes, ouvre la voie vers des applications pratiques révolutionnaires, notamment dans le développement d’ordinateurs quantiques plus puissants.
Les molécules, contrairement aux atomes, possèdent une structure complexe et donc plus de degrés de liberté dans le contexte quantique. Cela signifie qu’elles peuvent exister dans un plus grand nombre d’états quantiques différents. Cette complexité moléculaire permettra des méthodes innovantes pour le stockage et le traitement de l’information quantique .
En effet, les molécules ont la capacité de vibrer et de tourner dans plusieurs modes différents. Chacun de ces modes peut être utilisé pour représenter différents états quantiques via des bits quantiques (qubits) – les unités fondamentales de l’information dans un ordinateur quantique. Cette polyvalence offrirait une richesse de configurations pour coder l’information, bien au-delà des possibilités offertes par les atomes seuls.
Les chercheurs précités ont utilisé des faisceaux laser très focalisés pour piéger et contrôler des particules extrêmement petites, telles que les molécules. Il s’agit de « pinces optiques ». Le principe de fonctionnement des pinces optiques repose sur la pression de radiation – la pression exercée par la lumière sur les objets physiques. En ajustant les propriétés du faisceau laser, telles que son intensité et sa focalisation, les scientifiques peuvent positionner avec précision et maintenir en place des molécules individuelles.
L’utilisation des pinces optiques pour refroidir les molécules à des températures ultrabasses est essentielle. A ces températures, les molécules sont moins susceptibles d’être perturbées par l’énergie thermique environnante. Cela permet aux chercheurs de les placer dans des états quantiques spécifiques nécessaires pour les expériences d’intrication.
De plus, les chercheurs utilisent des impulsions micro-ondes pour induire des interactions contrôlées entre les molécules. Les micro-ondes, en agissant sur les molécules piégées, permettent de modifier leurs états quantiques de manière cohérente et contrôlée. Cette cohérence est essentielle pour l’intrication, car elle assure que les états quantiques des molécules sont liés de manière prévisible et répétable.
L’intrication réalisée avec cette méthode est un élément fondamental pour le développement de l’informatique quantique . Les ordinateurs quantiques basés sur des molécules présenteraient en effet une caractéristique unique par rapport à ceux utilisant des qubits traditionnels, comme les ions ou les photons. En informatique quantique, les qubits sont des unités d’information qui peuvent exister dans une superposition d’états quantiques |0⟩ et |1⟩. Les qutrits, en revanche, sont une unité d’information quantique qui peut exister dans une superposition de trois états quantiques orthogonaux, souvent dénotés |0⟩, |1⟩, et |2⟩. Cette capacité à opérer avec trois états quantiques, plutôt que deux, offre une plus grande complexité et flexibilité dans le traitement de l’information quantique, par rapport aux qubits.
Hannah Williams, physicienne à l’Université de Durham, met en lumière l’importance de telles avancées dans un article de Nature référencé ci-dessous. Elle souligne que le rythme rapide des progrès dans l’utilisation des molécules pour la simulation quantique indique que cette approche pourrait bientôt devenir une plate-forme de choix dans ce domaine. Les molécules offrent une flexibilité et une capacité de modélisation qui pourraient surpasser les plates-formes quantiques actuelles, rendant possible l’exploration de domaines de la physique et de la chimie jusqu’alors hors de portée.
Un autre groupe de recherche, mené par John Doyle, Kang-Kuen Ni et Wolfgang Ketterle, a obtenu des résultats similaires, confirmant l’importance de ces découvertes.
Référence
https://www.nature.com/articles/d41586-023-03943-1
Quantum-computing approach uses single molecules as qubits for first time
Platforms based on molecule
Physicists have taken the first step towards building quantum computers out of individual molecules trapped with laser devices called optical tweezers. Two teams report their results in Nature and Science on 7 December . In both cases they made pairs of calcium monofluoride molecules interact so that they became entangled — a crucial effect for quantum computing.
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