Les sauts quantiques sont réels – et maintenant nous pouvons les contrôler

Par Leah Crane

Depuis plus d’un siècle, les physiciens rament sur la véritable nature d’un saut quantique. Il y a maintenant une réponse, et dans la vraie forme quantique, tout le monde était un peu correct.

L’expression « saut quantique » a été un peu malmenée au cours des dernières décennies – pour beaucoup de gens, cela rappellera un cliché pour un changement massif, ou le programme télévisé de science-fiction mettant en vedette Scott Bakula. Il décrit en fait l’un des principes fondamentaux de la physique quantique: les atomes ont des niveaux d’énergie discrets et les électrons au sein d’un atome peuvent sauter d’un niveau d’énergie à l’autre, mais ne peuvent pas être observés entre ces niveaux spécifiques.

Des titans de la physique, dont Niels Bohr, qui a introduit l’idée en 1913, Erwin Schrödinger et Albert Einstein, se sont affrontés sur les spécificités de ces sauts – également connus sous le nom de sauts quantiques – en particulier pour savoir s’ils étaient instantanés et si leur timing était aléatoire.

Maintenant, Zlatko Minev à l’Université de Yale et ses collègues ont réglé le débat. « Si nous zoomons sur une échelle très fine, le saut n’est ni instantané ni aussi complètement aléatoire que nous le pensions », explique Minev.

Les chercheurs y sont parvenus en construisant un circuit électrique supraconducteur au comportement quantique qui en fait un analogue de l’atome avec trois niveaux d’énergie: l’état fondamental, qui est l’état par défaut de l’atome, un état « lumineux » connecté à l’état fondamental et un état « sombre » dans lequel l’atome peut sauter.

Ils ont tiré un faisceau de micro-ondes sur l’atome artificiel pour injecter de l’énergie dans le système. Généralement, l’atome rebondissait rapidement entre l’état fondamental et l’état brillant, émettant un photon chaque fois qu’il sautait de brillant à la terre. Mais si l’atome absorbait un photon de plus haute énergie du faisceau, il sauterait dans l’état sombre. L’état sombre était plus stable que l’état brillant, de sorte que l’atome y resterait plus longtemps sans émettre de photons.

À partir de ces signaux, les chercheurs ont pu savoir quand un saut quantique avait commencé en recherchant un éclair de lumière de l’état lumineux suivi d’une accalmie lorsque l’atome a sauté dans l’état sombre. Minev le compare à la prédiction d’une éruption volcanique. « C’est un phénomène aléatoire, personne ne peut prédire quand la prochaine éruption du volcan se produira, mais avant que la prochaine éruption ne se produise, il y a certains signaux dans le sol que nous pouvons détecter et utiliser comme avertissement », dit-il.

L’accalmie de la lumière de l’atome est équivalente à ces signaux d’alerte sismique. Sur des échelles de temps plus longues, il est impossible de prédire quand le prochain saut se produira, comme le pensait Bohr – mais sur des échelles de temps plus courtes de quelques microsecondes, elles le sont.

« Le fait qu’un tel saut quantique ait été observé dans un circuit supraconducteur plutôt qu’un atome est révélateur du fait que nous pouvons contrôler ce circuit supraconducteur d’une manière que nous ne pouvons pas contrôler les atomes naturels », explique William Oliver au Massachusetts Institute of Technology. Nous devrions un jour pouvoir faire la même chose avec de vrais atomes, dit-il.

Ce contrôle a permis à l’équipe de faire quelque chose que Bohr et ses contemporains auraient jugé impossible – contrôler un saut quantique.

Si, juste après le début du saut, les chercheurs frappaient l’atome avec une impulsion électrique, ils pourraient l’intercepter et renvoyer l’atome à l’état fondamental – ce qui n’aurait pas été possible si les sauts quantiques étaient vraiment instantanés et aléatoires. Au lieu de cela, ils ont constaté que les sauts prenaient le même chemin entre les deux niveaux d’énergie à chaque fois, il était donc facile de prédire comment les rebondir.

Cela montre que, comme l’a insisté Schrödinger, les sauts quantiques ne sont pas instantanés – ils prennent en fait environ quatre microsecondes. « Dans un sens, les sauts ne sont pas des sauts », explique Minev. « Si vous regardez ces fonctionnalités plus fines, vous pouvez faire des choses que vous ne pensiez peut-être pas pouvoir faire à cause de ces petites fenêtres de prévisibilité. »

Cela peut éventuellement être utile pour corriger les erreurs dans l’informatique quantique, dit Minev. Un saut quantique inattendu pourrait marquer une erreur dans les calculs, et cette méthode pourrait permettre aux chercheurs de repérer le début du saut et de rendre compte de l’erreur, voire de l’inverser à mi-saut. « C’est un résultat scientifique très important, et sa pertinence pour les ordinateurs quantiques du futur dépendra de l’apparence des ordinateurs quantiques du futur », explique Oliver.