Le zéro absolu – la température la plus appropriée pour les expériences quantiques et l’informatique quantique – facilite la description d’un système en s’appuyant sur un ensemble de propositions fondamentales. L’un d’eux, le théorème adiabatique quantique, garantit une dynamique plus simple des systèmes quantiques si les paramètres externes changent assez facilement.
Le zéro absolu étant physiquement inaccessible, l’élargissement de la gamme des outils de recherche théorique pour les températures finies est une question d’actualité. Une équipe de physiciens russes a fait un pas important dans cette direction en démontrant le théorème adiabatique à température finie et en identifiant des conditions quantitatives pour la dynamique adiabatique. Leurs découvertes seront d’un grand intérêt pour les développeurs de dispositifs quantiques de nouvelle génération qui nécessitent un réglage fin des propriétés des superpositions quantiques impliquant des centaines ou des milliers d’éléments. Cette recherche soutenue par une Fondation scientifique russe (RSF) accorder était publié dans Examen physique A.
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Les effets quantiques peuvent aider à concevoir des ordinateurs ultra-rapides, des instruments de mesure ultra-précis et des communications totalement sécurisées qui nécessitent souvent des environnements assez particuliers pour fonctionner correctement. La température la plus confortable pour les expériences quantiques est le zéro absolu, ou -273,15 degrés Celsius.
En même temps, le principe de superposition quantique qui permet certaines choses inconcevables, comme le fameux chat de Schrödinger qui peut être mort et vivant en même temps, peut fonctionner dans toute la mesure de sa puissance. De plus, le zéro absolu facilite un peu la description théorique des processus quantiques, fournissant aux physiciens et aux ingénieurs des propositions rigoureuses qui aident à prédire les résultats des expériences quantiques et à concevoir des dispositifs quantiques.
« La troisième loi de la thermodynamique stipule que le zéro absolu est inaccessible et n’est qu’une abstraction utile. Dans la vraie vie, les températures sont toujours finies et capables de détruire les superpositions quantiques fragiles sous-jacentes, donc le contrôle des processus fins à une température finie est l’objectif clé des technologies quantiques.« , déclare Oleg Lychkovskiy, titulaire d’un doctorat en physique et mathématiques et chercheur principal à l’Institut des sciences et technologies de Skolkovo (Skoltech), à l’Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) et à l’Institut mathématique Steklov de RAS.
L’état d’un système quantique est défini par un objet mathématique complexe, l’opérateur de densité. Si les paramètres de contrôle externes du système, tels que les champs électriques ou magnétiques, changent avec le temps, l’opérateur évolue également. La complexité de cette évolution qui est au cœur de l’énorme potentiel d’un ordinateur quantique est bien au-delà des capacités des supercalculateurs modernes, même pour des systèmes ne contenant que des centaines de qubits.
Pourtant, nous devons apprendre à « apprivoiser » cette complexité pour pouvoir créer des ordinateurs quantiques de nouvelle génération et d’autres dispositifs quantiques. Une idée assez simple reposant sur l’évolution adiabatique, l’un des concepts fondamentaux de la physique, est que l’état quantique pourrait être rendu un peu plus prévisible en faisant varier les paramètres externes de manière douce.
Le théorème adiabatique – une réalisation fondamentale de la mécanique quantique – a été formulé pour la première fois par Max Born et Vladimir Fock à l’aube de la mécanique quantique. Le théorème garantit que l’état quantique évolutif reste toujours proche de ce que l’on appelle l’état propre instantané si les paramètres externes changent assez lentement. Dans un sens, l’évolution adiabatique est un peu comme faire visiter un musée à une classe d’élèves de première année : vous devez diriger votre classe avec prudence et sans hâte pour vous assurer qu’à la fin de la visite, personne ne manque et que toutes les pièces sont intact.
Bien que le théorème adiabatique ait été affiné et amélioré depuis l’époque de Born et Fock, sa principale limitation était qu’il ne fonctionnait que pour les états dits purs, mais pas pour tous les états quantiques. Cela signifie qu’il pourrait être appliqué aux systèmes au zéro absolu seulement mais jamais à des températures finies. Dans notre exemple de musée, la visite ne pouvait se dérouler sans accroc que si la classe était composée d’élèves hétérosexuels bien élevés, ce qui n’est guère possible dans la vraie vie. Tout comme il ne peut y avoir de cours sans enfants coquins, il ne peut y avoir de température strictement nulle.
Des chercheurs de Skoltech, du Steklov Mathematical Institute of RAS et du MIPT ont étendu le théorème adiabatique aux systèmes à température finie et obtenu des conditions quantitatives garantissant l’adiabaticité de l’évolution avec une précision donnée. Par souci d’illustration, l’équipe a appliqué ces conditions à plusieurs systèmes modélisés et a découvert que dans certains, la dynamique adiabatique était encore plus stable à température finie qu’au zéro absolu.
Les découvertes de l’équipe contribuent à la collection d’outils de recherche théorique utilisés par les scientifiques et les ingénieurs quantiques. Il existe une assez grande diversité de protocoles adiabatiques pour préparer des états quantiques avec des propriétés spécifiées.
« L’ordinateur quantique adiabatique entièrement basé sur le théorème adiabatique est peut-être l’exemple le plus populaire. D-Wave Systems Inc. au Canada travaille actuellement sur ce type d’appareils. De plus, la préparation adiabatique des états quantiques est une étape initiale ou auxiliaire dans d’autres conceptions quantiques, ainsi que des simulations et des mesures. Nos résultats aideront à sélectionner les modes de fonctionnement optimaux pour les protocoles adiabatiques, tout en tenant compte du fait que les dispositifs quantiques fonctionnent à des températures finies », conclut Lychkovski.
Source : Skoltech
