Physique quantique : mesurer des atomes pour leur transférer de l’énergie

<span class="caption">Une analogie avec des employés bavards et une cheffe qui veut les remotiver, pour mieux comprendre la physique quantique.</span> <span class="attribution"><a class="link " href="https://unsplash.com/photos/eKZDRscZqsc" rel="nofollow noopener" target="_blank" data-ylk="slk:Meritt Thomas, Unsplash">Meritt Thomas, Unsplash </a>, <a class="link " href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" rel="nofollow noopener" target="_blank" data-ylk="slk:CC BY">CC BY</a></span>
Une analogie avec des employés bavards et une cheffe qui veut les remotiver, pour mieux comprendre la physique quantique. Meritt Thomas, Unsplash , CC BY

Imaginons des systèmes extrêmement petits et confortablement installés dans un milieu où presque rien ne vient interagir avec eux : c’est un peu comme s’ils étaient en confinement à cause d’une maladie qui affecterait les petites particules. Dans ces conditions, ces systèmes peuvent se mettre à avoir des comportements étranges : ils peuvent être à la fois en train de travailler et de discuter avec un ami par exemple. Lorsque leur état est ainsi réparti, on dit qu’ils sont en état de superposition.

Si deux atomes sont ensemble dans cet état de distraction partiel et que, malgré leur confinement, l’un des deux atomes bavards reçoit un appel de sa patronne, alors ils devront soudainement arrêter de discuter. Pour l’atome délaissé, il y a deux possibilités : soit il reçoit un signal de son ami qui a décidé de se remettre à travailler plus sérieusement ou de lui raconter toute sa conversation, auquel cas il fera de même ; soit son ami ne lui dit plus rien et il peut choisir avec une certaine probabilité de se remettre au travail de lui-même ou d’aller à la machine à café pour trouver d’autres gens à qui parler. Dans tous les cas, après l’interaction de l’un des deux atomes avec sa hiérarchie, les deux atomes ne seront plus dans leur état initial de superposition « distrait ».

Et alors ? Et bien alors dans le cas où la patronne a réussi à remotiver le premier atome et que le second, en recevant cette information, s’est lui aussi reconcentré, la motivation totale de ces deux travailleurs a été boostée par leur interaction avec cet élément extérieur et immuable qu’est leur responsable.

Ce qui est fascinant, c’est qu’en physique quantique, à la place de ce gain soudain de motivation, on peut constater un gain soudain d’énergie. Notez que l’énergie ne vient pas d’un réservoir obscur. Comme la patronne qui entame parfois sa propre motivation en intervenant auprès de ses employés, l’énergie est elle aussi transférée d’un système à un autre.

En exploitant ce phénomène – transférer de l’énergie à un système quantique en le mesurant, nous orientons nos recherches vers de nouveaux « moteurs quantiques », qui seraient capables par exemple d’amplifier la lumière d’un laser.

Qu’est-ce que l’énergie d’un système quantique ?

L’énergie peut prendre différentes formes : chimique comme pour les piles et batteries, thermique comme lorsque l’on prend un bain très chaud, ou par exemple cinétique lorsqu’on lance une boule de pétanque. À la manière de deux aimants, auxquels il faut fournir de l’énergie pour les décoller, il est aussi possible d’emmagasiner de l’énergie via l’interaction entre deux systèmes.

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Pour les systèmes quantiques, ce n’est pas si différent. C’est normal d’ailleurs car un système quantique, ce n’est rien d’autre qu’un système comme les autres… mais si petit que son comportement laisse apparaître ses différents niveaux d’énergie, on parle alors de niveau fondamental lorsque l’énergie est minimale. Bien sûr, la physique quantique, aussi contre-intuitive soit-elle, respecte bien le principe de conservation de l’énergie. Si un atome passe d’une énergie importante à une énergie plus faible alors il émet un photon qui compense cet écart d’énergie.

La mesure quantique est indiscrète

Jusqu’ici on comprend que nos atomes bavards peuvent certes avoir plus ou moins d’énergie et qu’ils sont sensibles au dérangement mais une question demeure : comment est-il donc possible de transférer de l’énergie à un système quantique en le mesurant ?

Pour le comprendre, il faut se souvenir que toute mesure nécessite une interaction. Même lorsque vous mesurez la température dans votre maison, il a fallu pour cela que les molécules contenues dans l’air environnant percutent votre thermomètre pour que le liquide qu’il contient se dilate, puis que des photons soient réfléchis par cet appareil de mesure vers votre œil pour que vous puissiez voir ce qu’il indique. Ainsi, si vous pouvez lire le résultat d’une mesure à l’échelle microscopique, c’est parce que cette mesure est encodée sur un système suffisamment gros qu’il obéit aux règles de la physique classique.

Les systèmes quantiques n’échappent pas à cette règle.

La différence cependant est qu’en physique quantique, l’appareil de mesure est plus gros, et non pas plus petit, que l’objet mesuré. Ainsi, l’interaction entre l’appareil de mesure et le système n’est plus négligeable. Tout se passe comme si la patronne de nos deux atomes ne pouvait pas observer l’état de motivation de ses employés sans qu’ils s’en aperçoivent. La vie privée des atomes est donc bien conservée.

Comment transférer de l’énergie en mesurant ?

En d’autres termes, la mesure en physique quantique agit comme un élément perturbateur. Elle peut donc parfois augmenter l’énergie de notre duo d’atomes. Cependant, suite à l’intervention de leur patronne, il arrive que la motivation des atomes (ou leur énergie) décroisse. Ainsi, cette interruption, si elle devient quotidienne, n’engendrera en moyenne ni gain ni perte de motivation.

Toutes les interactions n’ont pas les mêmes effets et il existe des perturbations qui sont bien plus utiles en moyenne. Imaginons, par exemple, que la patronne constate que l’un de ses employés travaille plus rapidement que l’autre mais a du mal à se motiver tout seul. Alors, même si l’interaction entre eux les fait travailler moins longtemps, comme le meilleur employé est plus motivé, la quantité de travail effectué se conserve durant cette interaction (comme l’énergie se conserve lorsque deux atomes interagissent). Ainsi, une fois le travailleur rapide motivé, il ne restera plus qu’à venir couper l’interaction entre les employés pour en plus les faire travailler longtemps et augmenter la quantité de travail totale.

En choisissant un type de mesure approprié (une mesure qui ne dit rien sur leur énergie, ou en termes de spécialistes, qui ne commute pas avec l’Hamiltonien du système d’atomes), en physique quantique il est également possible de transférer de l’énergie aux systèmes mesurés, même en moyenne.

Pour mieux comprendre ce phénomène, prenons deux aimants accolés l’un à l’autre. L’énergie associée à leur interaction est négative car il faudrait dépenser de l’énergie pour les décoller. De plus, chaque aimant ayant un poids, ils ont tous les deux une énergie potentielle. Pour mesurer le poids du deuxième aimant, il faut lui accrocher un dynamomètre (notre instrument de mesure, une sorte de balance où l’on accroche l’objet dont on veut connaître le poids) et tirer sur le ressort jusqu’à ce que la valeur indiquée ne varie plus. Dans ces conditions, les aimants sont si éloignés que l’interaction magnétique entre eux devient négligeable. Il est alors possible de tourner le premier aimant sans changer son énergie. En redéposant alors le deuxième aimant près du premier, leurs pôles identiques seront alors face à face. Les aimants vont donc se repousser et il est maintenant possible d’extraire de l’énergie du système.

En physique quantique, pas besoin de rendre l’interaction entre les atomes négligeables, la mesure elle-même pourra modifier l’état des atomes, un peu comme si elle permettait de faire tourner le premier aimant directement.

La mesure comme source d’énergie, ou les « moteurs quantiques »

En utilisant ce type de mécanisme, nous travaillons donc à l’Institut Néel à Grenoble à imaginer des « moteurs quantiques » dans lesquels il n’y aurait pas besoin de « bains thermiques », c’est-à-dire de réservoirs d’énergie chauds et froids, mais simplement de mesurer l’état de notre système pour ensuite pouvoir en extraire plus d’énergie.

Attention, il ne faut pas voir dans ces moteurs la technologie du futur pour nos voitures électriques et nos téléphones portables. Il s’agit simplement d’un transfert d’énergie depuis notre appareil de mesure vers un système quantique : l’appareil de mesure est si gros que l’énergie qu’il perd est très petite par rapport à son énergie totale.

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L’intérêt de ces « moteurs quantiques » est double. D’une part, il réside dans leur capacité à modifier l’énergie des systèmes quantiques, par exemple pour amplifier la lumière d’un laser. De l’autre, ils permettent l’étude du processus de mesure quantique, qui reste encore une des grandes zones d’ombre pour les physiciens, car en mesurant un système quantique, on sélectionne un état en particulier, mais il n’y a pas encore à l’heure actuelle de consensus sur l’équation qui permet de décrire cette évolution. Mieux comprendre ces phénomènes fondamentaux est indispensable pour mettre en place et optimiser la consommation énergétique des processeurs quantiques, briques essentielles des ordinateurs quantiques.

La version originale de cet article a été publiée sur La Conversation, un site d'actualités à but non lucratif dédié au partage d'idées entre experts universitaires et grand public.

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