Ce que le café crème peut nous apprendre sur la physique quantique

Une équipe de chercheurs a découvert une nouvelle perspective qui pourrait changer la façon dont nous concevons le stockage de l’information. Imaginez un monde où le lait et le café ne se mélangent jamais, peu importe la force avec laquelle vous les remuez. C’est le scénario que ces scientifiques ont réussi à décrire mathématiquement, ouvrant la voie à de nouvelles possibilités pour les puces d’ordinateurs quantiques.

Le professeur associé de physique à l’Université du Colorado Boulder, Rahul Nandkishore, et son équipe ont proposé une nouvelle approche pour surmonter un problème courant dans l’informatique quantique. Contrairement aux ordinateurs classiques qui fonctionnent avec des «bits» sous forme de zéros ou de uns, les ordinateurs quantiques utilisent des « qubits« . Ces derniers peuvent exister comme zéro, un ou, grâce à l’étrangeté de la physique quantique, zéro et un en même temps.

Tout comme une tasse de café, les qubits peuvent facilement se mélanger. 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 désorganisé.

Une solution potentielle à la désorganisation des qubits

Dans leur nouvelle recherche, les scientifiques ont peut-être trouvé une solution à cette tendance au mélange. Le groupe a calculé que si les scientifiques disposent les qubits dans des motifs particuliers, ces assemblages conserveront leurs informations, même si vous les perturbez à l’aide d’un champ magnétique ou d’une perturbation similaire. Selon le physicien, cela permettrait aux ingénieurs de construire des dispositifs avec une sorte de mémoire quantique.

« Cela pourrait être une façon de stocker de l’information », a précisé Rahul Nandkishore. « Vous inscririez l’information dans ces motifs, et l’information ne pourrait pas être dégradée. »

L’importance de la géométrie

Dans l’étude, les chercheurs ont utilisé des outils de modélisation mathématique pour envisager un réseau de centaines à des milliers de qubits disposés dans un motif semblable à un damier. L’astuce, ont-ils découvert, était de coincer les qubits dans un espace restreint. Si les qubits se rapprochent suffisamment, ils peuvent influencer le comportement de leurs voisins, presque comme une foule de personnes essayant de se serrer dans une cabine téléphonique.

Les chercheurs ont calculé que s’ils disposaient ces motifs de la bonne manière, ces motifs pourraient circuler autour d’une puce d’ordinateur quantique et ne jamais se dégrader, un peu comme ces nuages de crème qui tourbillonnent éternellement dans votre café.

« L’aspect merveilleux de cette étude est que nous avons découvert que nous pouvions comprendre ce phénomène fondamental grâce à ce qui est presque une simple géométrie », a ajouté Rahul Nandkishore.

Des implications bien au-delà de l’informatique quantique

Les découvertes de l’équipe pourraient influencer bien plus que les ordinateurs quantiques. Le chercheur a expliqué que presque tout dans l’univers, des tasses de café aux vastes océans, tend à se diriger vers ce que les scientifiques appellent «l’équilibre thermique». Si vous laissez tomber un glaçon dans votre tasse, par exemple, la chaleur de votre café fera fondre la glace, formant finalement un liquide à température uniforme.

Toutefois, ses nouvelles découvertes rejoignent un corpus croissant de recherches qui suggèrent que certaines petites organisations de matière peuvent résister à cet équilibre, semblant briser certaines des lois les plus immuables de l’univers.

« Nous n’allons pas devoir refaire nos calculs pour la glace et l’eau », a conclu Rahul Nandkishore. « Le domaine des mathématiques que nous appelons la physique statistique est incroyablement réussi pour décrire les choses que nous rencontrons dans la vie quotidienne. Mais il y a des contextes où peut-être cela ne s’applique pas. »

Article : « Ergodicity Breaking Provably Robust to Arbitrary Perturbations » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.040401