Des physiciens néerlandais et allemands ont montré que les théories de la thermodynamique et de la mécanique quantique sont toutes deux des moyens valables de décrire le comportement des photons dans un processeur quantique. Les résultats, obtenus par des chercheurs de l'Université de Twente et de la Freie Universität Berlin, ouvrent la porte à une compréhension plus profonde de la manière de concilier ces deux grandes théories.

La thermodynamique et la mécanique quantique sont les pierres angulaires de la physique moderne, mais d'une manière spécifique et importante, elles ne s'entendent pas bien. Le point de discorde tourne autour de la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule qu'un système fermé se déplacera vers l'entropie maximale (une mesure du désordre du système, ou chaos) de manière irréversible. La théorie de la mécanique quantique, en revanche, permet de recalculer les états antérieurs des particules, ce qui signifie que le flux d'informations et le temps sont tous deux réversibles.

Ces dernières années, il y a eu plusieurs tentatives pour explorer ce conflit en utilisant des systèmes quantiques intriqués tels que des atomes ultrafroids ou des bits quantiques supraconducteurs (qubits). En observant ce qui se passe lorsque ces systèmes se thermalisent et s'équilibrent, il devrait être possible de mesurer à la fois leur entropie et leurs états quantiques, et ainsi de résoudre le paradoxe.

Le problème est que les systèmes quantiques sont très sensibles aux interactions avec leur environnement. Il est donc difficile de créer un système véritablement fermé. Ils sont également susceptibles de perdre leur nature quantique, un processus connu sous le nom de décohérence, qui rend l'inversion du temps difficile à mettre en œuvre.

La photonique à la rescousse

Pour contourner ces défis, l'équipe a choisi d'étudier la thermalisation et l'équilibration dans des systèmes de photons intriqués. Les photons présentent plusieurs avantages par rapport aux systèmes quantiques composés (par exemple) d'atomes. Leur nature intrinsèquement quantique signifie qu'elles ne souffrent pas de décohérence. Ils peuvent être étudiés à température ambiante, contrairement aux températures ultra basses nécessaires aux atomes, et sont faciles à manipuler avec des interférences. Plus important encore, ils permettent la réversibilité temporelle : tout mélange des photons peut être inversé en effectuant l'opération inverse, ce qui signifie que les photons intriqués peuvent, en fait, être « démêlés ».

Dans l'expérience, les chercheurs commencent par injecter des photons uniques dans des canaux de guides d'ondes sur une puce. Ces photons interfèrent là où les canaux photoniques de la puce se rencontrent et se croisent. Cette interférence, que l'équipe a contrôlée avec des interféromètres thermo-optiques de Mach-Zehnder, crée une superposition de photons dans les guides d'ondes et permet à l'intrication de s'accumuler. Les photons sont ensuite détectés avec des détecteurs à photon unique.

Simultanément vrai

Pour déterminer les augmentations locales et totales de l'entropie du système, les chercheurs ont exécuté une série de protocoles. La réversibilité temporelle, par exemple, a été mise en œuvre en démêlant les photons, ce qui était possible grâce au contrôle total que le processeur donne sur l'expérience.

Une fois ces protocoles terminés, les mesures dans les canaux de sortie individuels de l'expérience ont montré que les nombres de photons ne pouvaient plus être définis avec précision. En effet, les photons étaient dans un état intriqué ensemble et n'étaient plus localisés individuellement dans un seul canal comme ils l'étaient à l'entrée. Cependant, les statistiques de photons que les chercheurs ont mesurées dans chaque canal ont montré que l'entropie augmentait localement dans tous les canaux, conformément à la deuxième loi de la thermodynamique. Dans le même temps, l'intrication qui s'est accumulée entre les photons n'est pas visible dans les canaux individuels : ce n'est qu'en considérant l'ensemble du système qu'il devient clair que l'état quantique global est sous une forme pure, compatible avec la mécanique quantique.

En guise de vérification finale, les physiciens ont effectué des opérations pour remettre le processeur dans son état d'origine (retournement temporel). Le succès de ces opérations a prouvé que les processus de thermalisation et d'équilibration étaient dus à l'intrication entre les particules quantiques, plutôt qu'à des interactions avec l'environnement. Par conséquent, l'expérience a montré que la thermodynamique et la mécanique quantique peuvent être vraies en même temps.

Données de haute qualité

Selon Pepijn Pinkse, expert en optique quantique à l'Université de Twente, le plus grand défi de l'équipe était d'obtenir suffisamment de données de haute qualité pour effectuer les mesures. De faibles pertes dans le processeur photonique ont aidé, dit-il, et plus de photons et des processeurs plus grands devraient leur permettre de simuler plus de systèmes. L'élément le plus faible de la chaîne, ajoute-t-il, semble être la source de photons : "Nous avons au moins 12 canaux d'entrée, mais seulement trois photons en même temps pour expérimenter, donc il y a place à l'amélioration", dit-il. Monde de la physique.

La théorie méconnue : pourquoi la thermodynamique est aussi importante que la mécanique quantique et la relativité générale

Nicole Yunger Halpern, un expert en thermodynamique quantique au National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis qui n'a pas participé à la recherche, affirme que l'expérience est importante car elle étend aux photons des travaux antérieurs qui impliquaient des atomes ultrafroids, des ions piégés et des qubits supraconducteurs. Ce changement de plate-forme, dit-elle, a permis aux expérimentateurs de défaire le processus qui conduisait le système à s'équilibrer en interne, permettant de conclure que le système avait conservé sa nature quantique tout en s'équilibrant. Faire cela nécessite une « excellente quantité de contrôle », note-t-elle, ajoutant que le défi de réaliser ce contrôle a causé une anxiété importante aux groupes utilisant d'autres plateformes au cours des dernières années.

La recherche est publiée dans Communications Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/