Ce que le café avec de la crème peut nous apprendre sur la physique quantique
Ajoutez une goutte de crème à votre café du matin et des nuages de liquide blanc tourbillonneront autour de votre tasse. Mais au bout de quelques secondes, ces tourbillons disparaissent et vous vous retrouvez avec une tasse ordinaire de liquide brun.
Un phénomène similaire se produit dans les puces informatiques quantiques - des dispositifs qui exploitent les propriétés étranges de l'univers à ses plus petites échelles - où les informations peuvent rapidement s'entremêler, ce qui limite les capacités de mémoire de ces outils.
Selon Rahul Nandkishore, professeur agrégé de physique à l'université du Colorado à Boulder, il n'y a pas lieu d'en arriver là.
Dans un nouveau coup d'éclat de la physique théorique, lui et ses collègues ont utilisé les mathématiques pour montrer que les scientifiques pouvaient créer, essentiellement, un scénario dans lequel le lait et le café ne se mélangent jamais, quelle que soit l'intensité avec laquelle on les remue.
Les découvertes du groupe pourraient déboucher sur de nouvelles avancées dans le domaine des puces informatiques quantiques, offrant ainsi aux ingénieurs de nouveaux moyens de stocker des informations dans des objets incroyablement minuscules.
"Pensez aux motifs tourbillonnants initiaux qui apparaissent lorsque vous ajoutez de la crème à votre café du matin", a déclaré Nandkishore, auteur principal de la nouvelle étude. "Imaginez que ces motifs continuent à tourbillonner et à danser, quel que soit le temps que vous passez à les observer.
Les chercheurs doivent encore mener des expériences en laboratoire pour s'assurer que ces tourbillons sans fin sont réellement possibles. Mais les résultats obtenus par le groupe constituent une avancée majeure pour les physiciens qui cherchent à créer des matériaux qui restent en déséquilibre, ou en équilibre, pendant de longues périodes de temps, ce que l'on appelle la "rupture d'ergodicité".
Les conclusions de l'équipe ont été publiées cette semaine dans le dernier numéro de "Physical Review Letters".
Mémoire quantique
L'étude, dont les coauteurs sont David Stephen et Oliver Hart, chercheurs postdoctoraux en physique à CU Boulder, s'articule autour d'un problème courant en informatique quantique.
Les ordinateurs normaux fonctionnent avec des "bits", qui prennent la forme de zéros ou de uns. Nandkishore a expliqué que les ordinateurs quantiques, en revanche, utilisent des "qubits", qui peuvent exister sous forme de zéro, de un ou, grâce à l'étrangeté de la physique quantique, de zéro et de un en même temps. Les ingénieurs ont fabriqué des qubits à partir d'un large éventail d'éléments, notamment des atomes individuels piégés par des lasers ou de minuscules dispositifs appelés supraconducteurs.
Mais tout comme cette tasse de café, les qubits peuvent être facilement mélangés. Si vous faites basculer, par exemple, tous vos qubits sur un seul, ils finiront par basculer dans les deux sens jusqu'à ce que la puce entière devienne un désordre.
Dans cette nouvelle recherche, Nandkishore et ses collègues ont peut-être trouvé un moyen de contourner cette tendance au mélange. Le groupe a calculé que si les scientifiques organisent les qubits selon des schémas particuliers, ces assemblages conserveront leurs informations, même s'ils sont perturbés par un champ magnétique ou une perturbation similaire. Selon le physicien, cela pourrait permettre aux ingénieurs de construire des appareils dotés d'une sorte de mémoire quantique.
"Il pourrait s'agir d'un moyen de stocker des informations. "Vous écririez des informations dans ces motifs, et l'information ne pourrait pas être dégradée.
Exploiter la géométrie
Dans l'étude, les chercheurs ont utilisé des outils de modélisation mathématique pour imaginer un réseau de centaines ou de milliers de qubits disposés en damier.
Ils ont découvert que l'astuce consistait à placer les qubits dans un espace restreint. Si les qubits sont suffisamment proches les uns des autres, explique Nadkishore, ils peuvent influencer le comportement de leurs voisins, un peu comme une foule de personnes essayant de se serrer dans une cabine téléphonique. Certaines de ces personnes peuvent se tenir debout ou sur la tête, mais elles ne peuvent pas basculer dans l'autre sens sans bousculer les autres.
Les chercheurs ont calculé que s'ils disposaient ces motifs de la bonne manière, ils pourraient circuler autour d'une puce d'ordinateur quantique sans jamais se dégrader, un peu comme ces nuages de crème qui tourbillonnent éternellement dans votre café.
"Ce qui est merveilleux dans cette étude, c'est que nous avons découvert que nous pouvions comprendre ce phénomène fondamental par le biais d'une géométrie presque simple", a déclaré M. Nandkishore.
Les découvertes de l'équipe pourraient avoir une influence sur bien plus que les ordinateurs quantiques.
M. Nandkishore a expliqué que presque tout dans l'univers, des tasses de café aux vastes océans, tend à évoluer vers ce que les scientifiques appellent "l'équilibre thermique". Si vous déposez un glaçon dans votre tasse, par exemple, la chaleur de votre café fera fondre la glace et finira par former un liquide à température uniforme.
Les nouvelles découvertes du chercheur s'ajoutent toutefois à un nombre croissant de travaux de recherche qui suggèrent que certaines petites organisations de matière peuvent résister à cet équilibre, semblant ainsi enfreindre certaines des lois les plus immuables de l'univers.
"Nous n'allons pas devoir refaire nos calculs pour la glace et l'eau", a déclaré M. Nandkishore. "Le domaine des mathématiques que nous appelons la physique statistique est incroyablement efficace pour décrire les choses que nous rencontrons dans la vie de tous les jours. Mais il y a des situations où elle ne s'applique peut-être pas".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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