Remarquablement, une équipe de physiciens de l’Université de Princeton a réussi à relier des molécules individuelles entre elles pour créer un état particulier d’« intrication » mécanique quantique. Dans ces états exotiques, ces molécules restent associées les unes aux autres et peuvent interagir simultanément, même si elles sont distantes de plusieurs kilomètres, ou même si elles occupent des extrémités opposées de l'univers. La recherche est publiée dans le dernier numéro de la revue Science.


Membre de l'équipe de recherche de l'Université de Princeton. De gauche à droite se trouvent le professeur adjoint Lawrence Cheuk du Département de physique, Yukai Lu, étudiant diplômé du Département de génie électrique, et Connor Holland, étudiant diplômé du Département de physique. Photographie : Richard Soden, Département de physique

"Il s'agit d'une avancée majeure dans le monde moléculaire en raison de l'importance fondamentale de l'intrication quantique", a déclaré Lawrence Cheuk, professeur adjoint de physique à l'Université de Princeton et auteur principal de l'article. "Mais c'est aussi une avancée majeure pour les applications pratiques, car les molécules intriquées pourraient devenir les éléments constitutifs de nombreuses applications futures.

Par exemple, ces ordinateurs peuvent résoudre certains problèmes plus rapidement que les ordinateurs traditionnels, les simulateurs quantiques peuvent simuler des matériaux complexes dont le comportement est difficile à modéliser et les capteurs quantiques peuvent effectuer des mesures plus rapidement que les ordinateurs traditionnels.

"L'une des motivations pour faire de la science quantique est que dans le monde réel, il s'avère que l'on peut faire mieux dans de nombreux domaines si l'on exploite les lois de la mécanique quantique", a déclaré Connor Holland, étudiant diplômé au Département de physique.

La capacité des dispositifs quantiques à surpasser les dispositifs classiques est appelée « avantage quantique ». Au cœur de l’avantage quantique se trouvent les principes de superposition et d’intrication quantique. Alors que les bits informatiques classiques peuvent prendre la valeur 0 ou 1, les bits quantiques appelés qubits peuvent être dans une superposition de 0 et 1 en même temps.

Ce dernier concept, l’intrication, est une pierre angulaire majeure de la mécanique quantique. Cela se produit lorsque deux particules sont inextricablement liées l’une à l’autre, de sorte que la connexion demeure même si une particule est à des années-lumière de l’autre. Albert Einstein a d'abord remis en question sa validité, décrivant le phénomène comme un « comportement effrayant à distance ». Depuis lors, les physiciens ont montré que l’intrication est en fait une description précise du monde physique et de la structure de la réalité.

"L'intrication quantique est un concept fondamental", a déclaré Cheuk, "mais c'est aussi un facteur clé pour donner un avantage quantique".

Mais établir un avantage quantique et parvenir à une intrication quantique contrôlable reste un défi, notamment parce que les ingénieurs et les scientifiques ne savent toujours pas quelle plate-forme physique est la mieux adaptée pour créer des qubits. Au cours des dernières décennies, de nombreuses technologies différentes, telles que les ions piégés, les photons, les circuits supraconducteurs, etc., ont été explorées comme candidates pour les ordinateurs et dispositifs quantiques. Le système quantique optimal ou la plate-forme qubit dépendra probablement de l’application spécifique.

Cependant, jusqu’à cette expérience, les molécules défiaient depuis longtemps l’intrication quantique contrôlable. Mais Cheuk et ses collègues ont trouvé un moyen de contrôler des molécules individuelles et de les amener dans ces états quantiques imbriqués grâce à une manipulation minutieuse en laboratoire. Ils pensent également que les molécules présentent certains avantages, par exemple par rapport aux atomes, qui les rendent particulièrement adaptées à certaines applications dans le traitement de l'information quantique et les simulations quantiques de matériaux complexes. Par exemple, les molécules ont plus de degrés de liberté quantiques que les atomes et peuvent interagir de nouvelles manières.

"En termes pratiques, cela signifie qu'il existe de nouvelles façons de stocker et de traiter l'information quantique", a déclaré Yukai Lu, étudiant diplômé en génie électrique et informatique et co-auteur de l'article. "Par exemple, une molécule peut vibrer et tourner selon plusieurs modes. Vous pouvez donc coder un qubit en utilisant deux de ces modes. Si les espèces moléculaires sont polaires, alors deux molécules peuvent interagir même lorsqu'elles sont spatialement séparées.

Pourtant, les molécules se sont révélées difficiles à contrôler en laboratoire en raison de leur complexité. La liberté qui les rend attrayants les rend également difficiles à contrôler ou à clôturer en laboratoire. Cheuk et son équipe ont relevé bon nombre de ces défis avec une expérience réfléchie impliquant une plate-forme expérimentale complexe appelée « réseau de pinces », dans laquelle des molécules individuelles sont captées par un système complexe de faisceaux laser étroitement focalisés, appelés « pinces optiques ».

"L'utilisation de molécules pour la science quantique constitue une nouvelle frontière, et notre démonstration de l'intrication à la demande est une étape cruciale pour démontrer que les molécules peuvent être utilisées comme plates-formes viables pour la science quantique", a déclaré Cheuk.

Dans un autre article publié dans le même numéro de Science, une équipe de recherche indépendante dirigée par John Doyle et Kang-Kuen Ni de l'Université Harvard et Wolfgang Ketterle du MIT est parvenue à des résultats similaires.

"Le fait qu'ils aient obtenu les mêmes résultats valide la fiabilité de nos résultats", a déclaré Cheuk. "Ils montrent également que les réseaux de pinces moléculaires apparaissent comme une nouvelle plateforme passionnante pour la science quantique.

"On-Demand Entanglement of Moleculesina Reconfigurable Optical Tweezer Array" co-écrit par Connor M. Holland, Yukai Lu et Lawrence W. Cheuk a été publié dans Science le 8 décembre 2023 (DOI : 10.1126/science.adf4272). Ce travail a été soutenu par l’Université de Princeton, la National Science Foundation (2207518) et la Sloan Foundation (FG-2022-19104).