Une nouvelle expérience utilise des qubits supraconducteurs pour prouver que la mécanique quantique viole un soi-disant réalisme local en permettant à deux objets de se comporter comme un système quantique, quelle que soit leur distance de séparation. L’expérience n’est pas la première à montrer que le réalisme local n’est pas la façon dont l’univers fonctionne – ce n’est pas la première à le faire avec des qubits.
Mais ils sont les premiers à séparer les qubits d’une distance suffisante pour s’assurer que la lumière n’est pas assez rapide pour se déplacer entre eux lors des mesures. Pour ce faire, il a refroidi un fil d’aluminium de 30 mètres de long à quelques millikelvins. Parce que les qubits sont si faciles à contrôler, l’expérience fournit une nouvelle précision pour ces types de mesures. Et la préparation du matériel peut être essentielle pour les futurs efforts de calcul quantique.
Prendre conscience du réalisme
Albert Einstein était notoirement mal à l’aise avec certaines des conséquences de l’intrication quantique. Si la mécanique quantique est correcte, alors une paire d’objets intriqués se comportera comme un seul système quantique quelle que soit la distance qui les sépare. Changer l’état de l’un doit changer instantanément l’état du second, car le changement semble se produire plus rapidement que la possibilité que la lumière se déplace entre les deux objets. C’est presque certainement faux, a soutenu Einstein.
Au fil des ans, les gens ont proposé différentes versions des soi-disant variables cachées, des propriétés physiques qui sont partagées entre les objets, permettant un comportement semblable à un enchevêtrement tout en gardant les informations qui dictent ce comportement localisées. Les variables cachées maintiennent ce qu’on appelle un « réalisme local » mais il s’avère qu’elles ne décrivent pas réellement notre réalité.
Le physicien John Bell a montré que tous les cadres pour les variables locales limitent le degré auquel le comportement des objets quantiques peut être lié. Mais la mécanique quantique s’attend à ce que les corrélations soient encore plus élevées. En mesurant le comportement de paires de particules intriquées, on peut déterminer si elles violent les équations de Bell, et ainsi prouver clairement que les variables cachées n’expliquent pas leur comportement.
Les premières étapes vers cette démonstration étaient médiocres pour les variables cachées mais permettaient des échappatoires – bien que l’inégalité de Bell ait été violée, il se peut toujours que l’information se déplace entre les objets quantiques à la vitesse de la lumière. Mais au cours des dernières décennies, les échappatoires se sont progressivement comblées et les prix Nobel ont été décernés.
Alors pourquoi revenir aux expérimentations ? En partie parce que les qubits nous donnent un grand contrôle sur le système, nous permettant d’exécuter rapidement un grand nombre d’expériences et d’étudier le comportement de cet enchevêtrement. Et en partie parce qu’il présente un défi technique intéressant. Les qubits supraconducteurs sont contrôlés par le rayonnement micro-onde et leur intrication nécessite le déplacement de photons micro-ondes de très faible énergie entre les deux. Et le faire sans que le bruit ambiant ne gâche tout est un sérieux défi.
Action effrayante à une distance de 30 mètres
Violer l’inégalité de Bell est une question relativement simple consistant à mesurer à plusieurs reprises des particules intriquées et à montrer que leurs états sont corrélés. Si cette corrélation dépasse une valeur critique, alors nous savons que les variables cachées ne peuvent pas expliquer ce comportement. Et les qubits supraconducteurs, appelés translats, sont conçus pour que la mesure soit triviale, précise et rapide. Cette partie est donc simple.
C’est en éliminant l’une des principales lacunes de ces mesures que les choses se compliquent. Vous devez montrer que la corrélation des mesures ne peut pas être médiatisée par des informations voyageant à la vitesse de la lumière. Étant donné que les mesures nécessitent si peu de temps pour se produire, cela signifie que vous devez séparer les deux qubits d’une distance suffisante pour permettre à la mesure d’être terminée avant que la lumière ne se déplace entre eux. Sur la base de la durée des mesures, l’équipe de recherche derrière le nouveau travail, travaillant à l’ETH Zürich, a calculé que 30 mètres seraient suffisants.
Bien que ce soit juste au bout du couloir dans un autre bâtiment de laboratoire, 30 mètres sont assez difficiles en raison du processus d’intrication, qui implique l’utilisation de photons micro-ondes à faible énergie, qui peuvent facilement être perdus dans une mer de bruit environnemental. Concrètement, cela signifie que tout ce qui est attaché à ces photons doit rester aux mêmes températures millikelvin que les qubits eux-mêmes. Par conséquent, le fil d’aluminium de 30 mètres de long qui sert de guide d’ondes pour les micro-ondes doit être refroidi à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu.
En pratique, cela signifiait donner à l’ensemble de l’assemblage construit pour garder l’accès du fil au frais des systèmes de refroidissement à l’hélium liquide contenant des qubits à chaque extrémité – et construire un système de refroidissement séparé au point central du tube de 30 mètres. Le système avait également besoin de connexions internes flexibles et de supports externes, car l’ensemble se contracte de manière exponentielle à mesure qu’il refroidit.
Pourtant, tout s’est admirablement déroulé. Grâce aux performances des qubits, les chercheurs peuvent réaliser plus d’un million d’expériences individuelles en seulement 20 minutes. Les corrélations résultantes ont fini par dépasser la limite fixée par les équations de Bell de 22 écarts-types stupéfiants. En d’autres termes, la valeur p du résultat était inférieure à 10-108.
Choses à venir ?
Les deux principaux facteurs limitant les performances du système sont les erreurs dans les qubits et la perte de photons utilisés dans leur intrication. Les chercheurs pensent qu’ils peuvent améliorer les deux, faisant potentiellement des qubits le test le plus rigoureux pour les inégalités de Bell. Mais le travail peut devenir plus important en raison de la façon dont les qubits s’emmêlent.
Tous ceux qui travaillent avec des qubits supraconducteurs disent qu’à terme, nous devrons en combiner des milliers dans un seul ordinateur quantique. Malheureusement, chacun de ces qubits nécessite beaucoup d’espace sur la puce, ce qui signifie qu’il est difficile de fabriquer des puces avec plus de quelques centaines d’entre eux. Ainsi, des acteurs majeurs comme Google et IBM envisagent à terme de relier plusieurs puces à un seul ordinateur (ce que la startup Rigetti fait déjà).
Cependant, pour des dizaines de milliers de bits, nous aurions certainement besoin de tellement de puces qu’il serait difficile de les conserver toutes dans un seul bit plus frais. Cela signifie que nous voudrons éventuellement enfiler les puces dans différents systèmes de refroidissement – exactement ce qui est montré ici. C’est donc une démonstration importante que nous pouvons, en fait, interconnecter des qubits à travers ces types de systèmes.
Nature, 2023. DOI : 10.1038 / s41586-023-05885-0 (à propos des DOI).
