Les ordinateurs quantiques nécessitent des mesures de temps précises pour manipuler les états quantiques, mais de nouvelles recherches révèlent une limitation fondamentale : les horloges ne peuvent pas atteindre en même temps une résolution et une précision parfaites en raison de leur génération limitée d’énergie et d’entropie. Cela crée des limites inhérentes aux capacités de l’informatique quantique. À mesure que la technologie quantique se développe, il deviendra crucial de surmonter ces défis en matière de mesure du temps et pourrait conduire à de nouvelles découvertes en mécanique quantique.
L’informatique quantique est de plus en plus facile à utiliser pour effectuer des calculs. Cependant, les recherches montrent que l’informatique quantique présente des limites inhérentes, notamment liées à la qualité des horloges utilisées.
Les gens ont des idées différentes sur la façon de construire un ordinateur quantique. Mais ils ont tous une chose en commun : prendre un système physique quantique – tel qu’un seul atome – et le soumettre à des forces très spécifiques pendant une période de temps spécifique, modifiant ainsi son état. Cependant, cela signifie que pour pouvoir compter sur les opérations de l’informatique quantique pour fournir des résultats corrects, vous avez besoin d’une horloge aussi précise que possible.
Mais voici le problème : une mesure parfaite du temps est impossible. Chaque horloge possède deux caractéristiques fondamentales : une certaine précision et une certaine résolution temporelle. La résolution temporelle représente la taille d'un intervalle de temps mesurable, c'est-à-dire la vitesse à laquelle une horloge tourne. La précision indique l'erreur de chaque échelle.
L’équipe a pu montrer que puisqu’aucune horloge ne dispose d’une quantité infinie d’énergie disponible (ou ne produit une quantité infinie d’entropie), elle ne peut jamais avoir à la fois une résolution parfaite et une précision parfaite. Cela limite fondamentalement les possibilités des ordinateurs quantiques.
Dans notre monde classique, les opérations arithmétiques parfaites ne posent aucun problème. Par exemple, vous pouvez utiliser un boulier en enfilant des perles en bois sur un bâton et en les poussant d'avant en arrière. Les perles en bois ont un état bien défini. Chaque perle en bois est dans une position bien précise. Si vous ne faites rien, les perles en bois resteront dans leur position initiale.
Que vous déplaciez les perles en bois rapidement ou lentement n'affectera pas les résultats. Mais en physique quantique, la situation est bien plus compliquée.
"Mathématiquement parlant, changer l'état quantique dans un ordinateur quantique équivaut à tourner dans une dimension supérieure. Afin d'atteindre enfin l'état souhaité, la rotation doit durer une période de temps très précise. Sinon, vous tournerez l'état trop court ou trop loin."
Entropie : le temps rend tout plus chaotique
Markus Huber et son équipe ont étudié quelles lois doivent toujours s'appliquer à toutes les horloges imaginables. Il explique : « La mesure du temps est toujours liée à l'entropie. Dans tout système physique fermé, l'entropie augmente et devient de plus en plus désordonnée. C'est cette évolution qui détermine la direction du temps : le futur est un lieu d'entropie supérieure, et le passé est un lieu d'entropie inférieure. »
Comme le montre la figure, chaque mesure du temps s'accompagne inévitablement d'une augmentation de l'entropie : par exemple, une horloge nécessite une pile, et l'énergie de la pile est finalement convertie par le mécanisme de l'horloge en chaleur de friction et en tic-tac - dans le processus, un état plutôt ordonné de la pile se transforme en un état plutôt désordonné de rayonnement thermique et de son.
Sur cette base, l’équipe a créé un modèle mathématique auquel pratiquement toutes les horloges imaginables doivent adhérer. Florian Meier, auteur principal du deuxième article, a déclaré : « À une certaine augmentation de l'entropie, il y a un compromis entre la résolution temporelle et la précision. Cela signifie : soit l'horloge fonctionne rapidement, soit elle fonctionne avec précision - il est impossible de faire les deux en même temps. »
Les limites des ordinateurs quantiques
Cette prise de conscience crée une limite naturelle pour les ordinateurs quantiques : la résolution et la précision qu’une horloge peut atteindre limitent la vitesse et la fiabilité qu’un ordinateur quantique peut atteindre. "Ce n'est pas encore un problème", déclare Markus Huber. "La précision des ordinateurs quantiques est encore limitée par d'autres facteurs, comme la précision des composants utilisés ou le champ électromagnétique. Mais nos calculs montrent aussi qu'aujourd'hui nous ne sommes pas loin d'un mécanisme dans lequel les limites fondamentales de la mesure du temps jouent un rôle décisif."
Par conséquent, si la technologie de traitement de l’information quantique est encore améliorée, les gens seront inévitablement confrontés au problème d’une mesure du temps non optimale. Mais qui sait : c’est peut-être une manière intéressante pour nous de comprendre le monde quantique.