La superposition quantique est un principe de la physique du monde microcopique qui permet à une particule de se retrouver dans différents états distincts simultanés et superposés.
La célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger en explique l’idée, avec un chat à la fois vivant et mort dans sa boîte tant qu’un observateur ne vient pas rompre l’équilibre.
Ce mécanisme est déjà utilisé en informatique quantique à l’échelle de particules microscopiques mais il semble inaccessible au monde macroscopique régi par les lois de la physique classique. Du moins, on ne sait pas où se situe la frontière entre les deux mondes.
Un chat quantique plus volumineux
L’Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ou ETH Zurich) a peut-être ouvert une piste en parvenant à placer un cristal « quasi-macroscopique » en état de superposition quantique !
Les chercheurs, dont les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters, ont travaillé sur un résonateur d’ondes acoustiques en cristal de saphir relié par effet piézoélectrique à un circuit supraconducteur jouant le rôle d’un qubit.
Credit : ETH Zurich
Son état de superposition quantique entre deux états 0 et 1 (c’est à dire pouvant prendre les états 0, 1 ou 0 et 1 à la fois) peut ainsi être transmis au cristal qui vibre différemment selon l’état.
Le système constitue l’équivalent de l’expérience du chat de Schrödinger (sans le chat et l’atome tueur) avec une masse totale de 16 µg, l’équivalent d’un petit grain de sable.
Certes, ce n’est pas encore la taille d’un chat quantique mais c’est déjà plusieurs de fois le poids d’une molécule, faisant du dispositif « le plus gros chat quantique jusqu’à présent« .
De la superposition quantique jusque dans le macroscopique ?
Selon l’état du qubit, le cristal vibre différemment et les chercheurs se sont attachés à faire émerger une superposition quantique. Il a fallu ralentir les vibrations du cristal de saphir composé de 1016 atomes en le refroidissant quasiment au niveau du zéro absolu (un centième de degré au-dessus) puis en analysant son état via le qubit.
Le cristal de saphir utilisé pour l’expérience de superposition quantique
(credit : ETH Zurich)
Les chercheurs de l’ETH Zurich ont alors pu observer l’émergence de propriétés quantiques, et non plus seulement physiques, avec des temps de cohérence jusqu’à 40 microsecondes.
La superposition quantique pour de gros systèmes n’est pas pour demain mais l’expérience montre qu’il est possible de détecter des états de superposition quantique sur des objets de plus en plus grands, déjà très loin des simples particules de matière.
En optimisant l’expérience et en étendant les temps de cohérence, l’espoir est de pouvoir faire entrer en superposition quantique des systèmes encore plus gros que des molécules, faisant véritablement émerger le quantique dans le monde macroscopique, avec des applications dans l’informatique quantique el notamment pour maintenir la cohérence de systèmes de qubits de plus en plus grands.