Le comportement des matériaux dépend des interactions entre d’innombrables atomes. Vous pourriez voir cela comme une discussion de groupe géante dans laquelle les atomes échangent continuellement des informations quantiques. Des chercheurs de l’Université de technologie de Delft en collaboration avec l’Université RWTH Aachen et le Centre de recherche Jülich ont maintenant pu intercepter une discussion entre deux atomes. Ils présentent leurs résultats dans Science le 28 mai.



Les atomes, bien sûr, ne parlent pas vraiment. Mais ils peuvent se sentir. C’est notamment le cas des atomes magnétiques. « Chaque atome porte un petit minute magnétique appelé spin. Ces spins s’influencent mutuellement, comme le font les aiguilles de boussole lorsque vous les rapprochez. Si vous donnez une poussée à l’un d’eux, ils commenceront à se déplacer ensemble d’une manière très spécifique », explique Sander Otte, chef de l’équipe qui a effectué la recherche. « Mais selon les lois de la mécanique quantique, chaque spin peut être simultanément pointé dans différentes instructions, formant une superposition. Cela signifie que le transfert réel d’informations quantiques a lieu entre les atomes, comme une sorte de discussion. »

Aiguille tranchante

À grande échelle, ce kind d’échange d’informations entre atomes peut conduire à des phénomènes fascinants. Un exemple classique est la supraconductivité : l’effet où certains matériaux perdent toute résistivité électrique en dessous d’une température critique. Bien que bien compris pour les cas les furthermore simples, personne ne sait exactement comment cet effet se produit dans de nombreux matériaux complexes. Mais il est particular que les interactions quantiques magnétiques jouent un rôle clé. Dans le but d’essayer d’expliquer des phénomènes comme celui-ci, les scientifiques sont très intéressés à pouvoir intercepter ces échanges pour entendre les discussions entre les atomes.



Dans l’équipe d’Otte, ils s’en occupent assez directement: ils mettent littéralement deux atomes l’un à côté de l’autre pour voir ce qui se passe. Ceci est feasible grâce à un microscope à effet tunnel : un dispositif dans lequel une aiguille pointue peut sonder les atomes un par un et peut même les réorganiser. Les chercheurs ont utilisé cet appareil pour placer deux atomes de titane à une length d’un peu moreover d’un nanomètre – un millionième de millimètre – l’un de l’autre. À cette length, les atomes sont simplement capables de ressentir le spin de l’autre. Si vous voulez maintenant tordre l’un des deux tours, la discussion commencerait d’elle-même.

Habituellement, cette torsion est effectuée en envoyant des signaux radio très précis aux atomes. Cette procedure dite de résonance de spin – qui rappelle assez le principe de fonctionnement d’un scanner IRM trouvé dans les hôpitaux – est utilisée avec succès dans la recherche sur les bits quantiques. Cet outil est également disponible pour l’équipe de Delft, mais il présente un inconvénient. « C’est tout simplement trop lent », déclare le doctorant Lukas Veldman, auteur principal de la publication Science. « Vous avez à peine commencé à tordre l’un des excursions avant que l’autre commence à tourner. De cette façon, vous ne pouvez jamais enquêter sur ce qui se passe en plaçant les deux excursions dans des directions opposées. »

Approche peu orthodoxe

Les chercheurs ont donc essayé quelque selected de peu orthodoxe : ils ont rapidement inversé le spin de l’un des deux atomes avec une soudaine explosion de courant électrique. À leur grande surprise, cette approche drastique a abouti à une belle interaction quantique, exactement par le livre. Pendant l’impulsion, les électrons entrent en collision avec l’atome, provoquant la rotation de son spin. Otte : « Mais nous avons toujours supposé que pendant ce processus, la délicate data quantique – la soi-disant cohérence – était perdue. Après tout, les électrons sont incohérents: l’histoire de chaque électron avant la collision est légèrement différente et ce le chaos est transféré au spin de l’atome, détruisant toute cohérence.  »

Le fait que cela ne semble pas être vrai maintenant a suscité un certain débat. Apparemment, chaque électron aléatoire, quel que soit son passé, peut initier une superposition cohérente : une combinaison spécifique d’états quantiques élémentaires qui est parfaitement connue et qui forme la foundation de presque toute forme de technologie quantique.

Superposition parfaite

« L’essentiel est que cela dépend de la concern que vous posez », affirme Markus Ternes, co-auteur de l’Université RWTH Aachen et du Study Middle Jülich. « L’électron inverse le spin d’un atome en le faisant pointer, disons, vers la gauche. Vous pourriez voir cela comme une mesure, effaçant toute la mémoire quantique. Mais du place de vue du système combiné comprenant les deux atomes, la problem résultante n’est pas si banal du tout. Pour les deux atomes ensemble, le nouvel état constitue une superposition parfaite, permettant l’échange d’informations entre eux. Ce qui est critical pour que cela se produise, c’est que les deux spins s’emmêlent: un état quantique particulier dans lequel ils partagent davantage informations les uns sur les autres que classiquement possibles.  »

La découverte peut être importante pour la recherche sur les bits quantiques. Peut-être que dans cette recherche, vous pourriez vous en sortir un peu moins prudent lors de l’initialisation des états quantiques. Mais pour Otte et son équipe, c’est surtout le point de départ d’expériences encore in addition belles. Veldman : « Ici, nous avons utilisé deux atomes, ? Ou dix, ou mille ? Personne ne peut prédire cela, car la puissance de calcul est insuffisante pour de tels nombres. Peut-être qu’un jour nous pourrons écouter des discussions quantiques que personne n’a jamais pu entendre auparavant. «