L'effet Zénon sera-t-il la clé des ordinateurs quantiques ?

La décohérence est un redoutable obstacle pour les physiciens cherchant à construire des ordinateurs quantiques capables de surpasser les ordinateurs classiques pour certains types de calculs. Des chercheurs se demandent si un effet quantique découvert théoriquement par l'un des pères de l'informatique, Alan Turing, ne permettrait pas de contourner l'obstacle. Il s'agit de l'effet Zénon, que les physiciens viennent d'observer dans du diamant.

En mécanique quantique, l’observateur, qu’il soit un être humain ou un instrument de mesure, joue un rôle fondamental. Selon l’interprétation standard de la théorie quantique, on ne peut parler de l’existence réelle de certains attributs d’un système quantique sans faire intervenir l’acte de mesure pour l’observer. En soi, une particule de matière quantique n’existe pas comme un objet localisé de façon constante dans l’espace et dans le temps. C’est l’interaction avec un système physique classique en un endroit et un temps donnés qui peut l’amener à se manifester comme un objet classique semblable à une boule de billard.

Un système quantique, comme un atome couplé à un champ électromagnétique ou une particule élémentaire couplée aux interactions faibles, peut dans le premier cas se désexciter pour émettre des photons, ou, dans le second, émettre d’autres particules, comme des muons et des neutrinos s'il s'agit d'un pion. Le couplage à un champ joue d’une certaine façon le rôle d’une mesure, et force le système à évoluer.

Du nom du philosophe grec Zénon d'Élée (qui pensait avoir démontré que le mouvement était une illusion, car impossible), l’effet Zénon est un effet inverse où l’observation répétée d’un système quantique par un appareil de mesure bloque son évolution ! Dans les deux exemples précédents, à force de regarder un atome ou un pion pour en détecter les émissions de particules, on les empêche de le faire !

On attribue généralement la découverte théorique de l’effet Zénon à Alan Turing et George Sudarshan. Mais il n’a été observé expérimentalement qu’en 1989, avec des ions refroidis par laser et piégés par des champs magnétiques et électriques. Jusqu’à présent, c’était surtout une curiosité de laboratoire, mais cela va peut-être changer, si l’on en croit un article déposé sur arxiv par des physiciens de l’université Humboldt de Berlin.


À droite, on voit la structure cristalline du diamant avec un atome d'azote (N) à la place d'un atome de carbone et une lacune (V) indiquant l'absence d'un atome de carbone. C'est un centre coloré NV. Sur la gauche, on a représenté deux centres NV dont les moments cinétiques (electron spin, nuclear spin) peuvent être influencés par un champ électromagnétique variable dans le temps (driving field). On peut se servir de ces centres pour travailler sur l'information quantique, et des chercheurs y ont observé l’effet Zénon. © APS, S. Benjamin, J. Smith

Les chercheurs se sont proposé d’observer l’effet Zénon au niveau de la mesure du spin d’un électron dans l’un des centres colorés contenant de l'azote au sein d'un diamant. Rappelons qu'un diamant peut présenter des défauts ponctuels, les centres NV, composés d'un atome d'azote (N) et d'une lacune (V pour vacancy). Ces défauts constituent ce que l'on appelle des centres colorés azote-lacune, présentant une photoluminescence intense et parfaitement photostable à température ambiante.

Le choix de ce système physique pour observer l’effet Zénon ne doit rien au hasard. En effet, il se trouve que l’une des voies explorées pour réaliser des ordinateurs quantiques performants utilise le spin des particules dans les diamants. Le problème central que l’on cherche à résoudre avec ces diamants est le même que celui dont la société D-Wave Systems prétend avoir trouvé la solution. Il s’agit, comme nous l’a récemment expliqué Laurent Saminadayar, du fameux problème de la décohérence.

Un ordinateur quantique puissant doit posséder un grand nombre de qubits quantiques, souvent sous forme de spins de particules, des électrons par exemple, et les maintenir dans un état d’intrication le temps que l’on effectue les calculs voulus. Malheureusement, lorsque le nombre de qubits devient élevé, ils deviennent extrêmement sensibles aux perturbations de l’environnement et leur intrication quantique est rapidement détruite.

D'où cette idée : observer ces qubits avec suffisamment d'insistance pour que l’effet Zénon se produise. On pourrait peut-être ainsi stopper l’évolution du système physique conduisant à la destruction trop rapide de l’intrication. La première étape consiste à vérifier que l'on peut provoquer l'effet Zénon dans un système utilisé constituant un ordinateur quantique.

Les chercheurs de l’université Humbold ont donc commencé par faire osciller entre deux états le spin d'un électron situé dans un centre NV, et ont ensuite utilisé un faisceau laser pour déclencher une émission de lumière rouge du centre par fluorescence. Cette émission équivaut à une observation de l’état du spin de l’électron selon une modalité bien précise, propre à ce que l’on cherche à faire pour obtenir un effet Zénon.

L’expérience a effectivement montré que l’oscillation du spin de l’électron était interrompue comme on pouvait s'y attendre en présence d'un effet Zénon quantique. Il reste maintenant à savoir si cet effet opérera encore dans un système où des diamants avec des centres NV seraient des portes logiques d’un ordinateur quantique. Et surtout si l’on peut effectivement résoudre le problème de la décohérence de cette façon.