Une équipe de physiciens de l'Université de Princeton a réalisé une percée dans la mécanique quantique en intriquant des molécules individuelles. Cette recherche ouvre de nouvelles possibilités pour l’informatique quantique, la simulation et la détection. L'utilisation innovante par l'équipe de pinces optiques pour contrôler les molécules a permis de surmonter les problèmes antérieurs liés à l'intrication quantique, marquant ainsi une avancée majeure dans ce domaine.
Dans le cadre de travaux qui pourraient conduire à une informatique quantique plus puissante, des chercheurs de l’Université de Princeton ont réussi à forcer des molécules à s’intricer quantiquement.
Une équipe de recherche composée de physiciens de l'Université de Princeton a réussi pour la première fois à lier des molécules individuelles entre elles, les amenant dans un état particulier d'« intrication » mécanique quantique. Dans ces états bizarres, même lorsque les molécules sont distantes de plusieurs milliers de kilomètres, ou même occupent des extrémités opposées de l’univers, elles restent connectées et interagissent simultanément. La recherche a été publiée dans la revue Science.
Intrication moléculaire : une percée pour des applications pratiques
Lawrence Cheuk, professeur adjoint de physique à l'Université de Princeton et auteur principal de l'article, a déclaré : « Il s'agit d'une percée dans le monde moléculaire, car l'intrication quantique est d'une importance fondamentale. Mais c'est aussi une percée pour les applications pratiques, car les molécules intriquées peuvent devenir les éléments constitutifs de nombreuses applications futures.
Par exemple, ces applications incluent : des ordinateurs quantiques qui peuvent résoudre certains problèmes plus rapidement que les ordinateurs traditionnels ; des simulateurs quantiques capables de modéliser des matériaux complexes dont le comportement est difficile à modéliser ; et des capteurs quantiques capables d'effectuer des mesures plus rapidement que les capteurs traditionnels.
Connor Holland, étudiant diplômé au Département de physique et l'un des co-auteurs de l'étude, a déclaré : « L'une des motivations pour étudier la science quantique est que dans les applications pratiques, si vous pouvez utiliser les lois de la mécanique quantique, vous pouvez faire mieux dans de nombreux domaines. »
La capacité des appareils quantiques à surpasser les appareils classiques est appelée « avantage quantique ». Au cœur de l’avantage quantique se trouvent les principes de superposition et d’intrication quantique. L'intrication quantique, pierre angulaire importante de la mécanique quantique, se produit lorsque deux particules sont inextricablement liées l'une à l'autre, une connexion qui persiste même si l'une des particules est à des années-lumière de l'autre. Albert Einstein a d'abord remis en question la validité de ce phénomène, le décrivant comme une « action effrayante à distance ». Depuis, les physiciens ont montré que l’intrication est en fait une description précise du monde physique et de la structure de la réalité.
Défis et progrès de l'intrication quantique
"L'intrication quantique est un concept fondamental", a déclaré Zhuo, "mais c'est aussi l'élément clé qui donne un avantage quantique".
Mais établir un avantage quantique et parvenir à une intrication quantique contrôlable reste un défi, en grande partie 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 meilleur système quantique ou plate-forme qubit dépend entièrement de l’application spécifique.
Cependant, jusqu’à cette expérience, l’intrication quantique contrôlable des molécules était insaisissable. Mais Zhuo et ses collègues ont trouvé un moyen de contrôler des molécules individuelles et de les amener dans ces états quantiques entrelacés grâce à des manipulations minutieuses en laboratoire. Ils pensent également que les molécules présentent certains avantages par rapport aux atomes et sont 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.
"Cela signifie qu'il existe de nouvelles façons de stocker et de traiter l'information quantique pour des applications pratiques", a déclaré Yukai Lu, étudiant diplômé en génie électrique et informatique et co-auteur de l'article. "Par exemple, les molécules peuvent vibrer et tourner selon plusieurs modes. Vous pouvez donc utiliser deux de ces modes pour coder un qubit. Si les espèces moléculaires sont polaires, deux molécules peuvent interagir même si elles sont spatialement séparées."
Pourtant, le contrôle des molécules en laboratoire s’avère notoirement difficile en raison de leur complexité. Les degrés de liberté qui rendent les molécules attrayantes les rendent également difficiles à contrôler ou à contrôler en laboratoire.
Technologie expérimentale innovante et perspectives d'avenir
Cheuk et son équipe ont résolu bon nombre de ces énigmes grâce à des expériences soigneusement conçues. Ils ont d’abord sélectionné une espèce moléculaire à la fois polaire et refroidie par laser. Ils ont ensuite utilisé des lasers pour refroidir les molécules à des températures ultra-froides, où la mécanique quantique occupe une place centrale. Les molécules individuelles sont ensuite captées par un système complexe de faisceaux laser étroitement focalisés – appelés « pinces optiques ». En modifiant la position des pinces, ils ont pu créer de larges réseaux de molécules uniques et les positionner individuellement dans n’importe quelle configuration unidimensionnelle souhaitée. Par exemple, ils ont créé des paires isolées de molécules et des chaînes de molécules sans défauts.
Ensuite, ils ont codé un qubit dans les états non rotatif et rotatif de la molécule. Ils ont pu montrer que le qubit moléculaire conserve sa cohérence, c'est-à-dire qu'il se souvient de sa propre superposition. En bref, les chercheurs ont démontré la capacité de créer des qubits cohérents et bien contrôlés à l’aide de molécules contrôlées individuellement.
Pour enchevêtrer des molécules, il faut les faire interagir les unes avec les autres. En utilisant une série d’impulsions micro-ondes, ils ont pu faire interagir des molécules individuelles de manière cohérente. En chronométrant précisément l’interaction, ils ont pu mettre en œuvre une porte à deux qubits qui enchevêtre deux molécules. Ceci est important car de telles portes intriquées à deux qubits constituent la pierre angulaire de l’informatique quantique numérique universelle et des simulations de matériaux complexes.
Compte tenu des capacités innovantes offertes par cette nouvelle plateforme, les réseaux de pinces moléculaires, cette recherche présente un grand potentiel pour étudier différents domaines de la science quantique. En particulier, l’équipe de recherche de Princeton s’intéresse à l’exploration de la physique de nombreuses molécules en interaction, qui peuvent être utilisées pour simuler des systèmes quantiques à N corps dans lesquels émergent des comportements émergents intéressants, tels que de nouvelles formes de magnétisme.
"L'utilisation de molécules pour la science quantique constitue une nouvelle frontière, et l'intrication à la demande que nous démontrons constitue une étape cruciale pour démontrer que les molécules peuvent être utilisées comme plate-forme viable pour la science quantique", a déclaré Zhuo.
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.
"Ils ont obtenu les mêmes résultats, ce qui valide la fiabilité de nos résultats", a déclaré Cheuk. "Cela montre également que les réseaux de pinces moléculaires deviennent une nouvelle plateforme passionnante pour la science quantique."
Référence : « Entanglement à la demande de molécules dans des réseaux de pinces optiques reconfigurables », par Connor M. Holland, Yukai Lu et Lawrence W. Cheuk, 7 décembre 2023, « Science ».
DOI:10.1126/science.adf4272
Source compilée : ScitechDaily