Intrication macroscopique de deux diamants

Pour la première fois des chercheurs ont réussi à lier entre eux deux diamants macroscopiques. Ils démontrent ainsi que certaines propriétés de la mécanique quantique s’étendent au-delà du monde des particules invisibles à l’œil nu.Jusqu’à présent la mécanique quantique semblait réservée au monde de l’infiniment petit, un monde composé d’ondes et de particules où des phénomènes franchement surprenants peuvent se produire. L’intrication en fait partie : quand deux particules sont dites intriquées on ne peut plus ensuite modifier l’état de l’une de ces deux particules sans modifier l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Grâce à cette intrication, les physiciens peuvent par exemple transporter une information : c’est la base de la téléportation quantique.

De nombreuses démonstrations de ce phénomène ont été réalisées avec diverses particules (photon, atomes, électrons…) toujours dans des conditions expérimentales extrêmes avec des températures ultrafroides. Parce que dès que les conditions se « normalisent » ou que des objets plus grands, visibles à l’œil nu, sont testés cet effet comme la plupart des propriétés quantiques à tendance à s’effacer.

Une équipe dirigée par Ian Walmsley, physicien à l'Université d'Oxford, a pourtant réussi à surmonter ces obstacles et à intriquer deux diamants macroscopiques séparés de 15 cm entre eux, à température ambiante. Les résultats de leur expérience sont publiés dans la revue Science.

Les deux diamants sont intriqués par une paire d'impulsion et partagent un même phonon.

Pour produire ce phénomène d’intrication avec des diamants, les chercheurs ont utilisé une particularité des cristaux dans lesquels des paquets d’ondes se propagent un peu comme le son dans l’air. En mécanique quantique ces paquets d’onde sont considérés comme une particule virtuelle appelée phonon. En utilisant un ensemble complexe de lasers, miroirs semi-réfléchissants et de détecteurs, ils montrent qu'il est possible de forcer deux diamants à « partager » un phonon, preuve que l'intrication quantique est réalisée.

Le phénomène est très bref puisqu’il dure environ 10 ^-12 seconde ce qui ne permet encore d’envisager des applications pratiques dans l’immédiat même si les auteurs estiment que les diamants ainsi intriqués pourraient « fournir la base d’une technologie puissante pour le traitement de l’information quantique ».

Un groupe de physiciens vient de montrer qu’il est possible de produire des états intriqués avec deux diamants macroscopiques… à température ambiante ! Voila de quoi doper le moral de ceux qui pensent que malgré l’obstacle de la décohérence, un ordinateur quantique performant est réalisable et existe peut-être déjà, le cerveau humain.
Le concept d'ordinateur quantique, introduit il y a plusieurs décennies par Richard Feynman et d’autres chercheurs, continue de faire rêver. Il permettrait de briser les limites des ordinateurs classiques pour certains types de calculs. On sait faire de tels ordinateurs capables de manipuler non plus des bits mais bien des qubits d’informations. Leur fonctionnement repose sur le principe fondateur de la physique quantique, celui de la superposition des amplitudes de probabilités pour un état quantique, plus précisément, sur la notion d’intrication quantique.

Malheureusement, pour le moment, ces ordinateurs sont aisément battus par une calculatrice de poche. Pour vraiment inquiéter des superordinateurs comme le K japonais, il faudrait disposer d’un grand nombre de qubits.

Le problème est que cela implique que la taille d'un tel ordinateur, du moins la partie effectuant les calculs, s'approche des échelles macroscopiques. Or, comme le paradoxe du chat de Schrödinger le montre bien, c’est alors que le monde quantique laisse la place au monde classique à cause du phénomène de la décohérence.

Pour les ordinateurs quantiques existants, il faut déjà les refroidir à très basses températures pour les protéger du bruit thermique capable de détruire la fragile superposition des états et l’intrication quantique. Plus généralement, il faut isoler le plus possible un tel système de son environnement. L'obstacle est immense et il est bien possible que l'on soit en présence d'une voie sans issue.

C’est pourquoi la majorité des chercheurs ne suivent pas Roger Penrose lorsque celui-ci propose que la conscience dans le cerveau humain repose sur des processus quantiques analogues à ceux des ordinateurs quantiques. Le cerveau humain serait trop chaud pour cela. Il y a pourtant eu quelques résultats qui, s'ils devaient résister à l’épreuve du temps, indiquent que de la cohérence quantique existe à température ambiante en biologie.

Dans ce contexte, l’article publié dans Science par des chercheurs britanniques et leurs collègues est intéressant car, selon eux, ils sont parvenus à intriquer deux objets macroscopiques à température ambiante. Il s’agit de deux diamants de taille millimétrique séparés par 15 cm.

Cela fait un moment que l’on utilise le diamant dans des recherches sur l’information quantique. Ses caractéristiques laissaient penser qu'il était un matériau de choix pour contenir des qubits protégés de la décohérence et donc pour fabriquer des ordinateurs quantiques.

Dans l’expérience réalisée par les physiciens, on commence par séparer une impulsion laser en deux parties dont chacune est envoyée en direction des deux diamants dont la taille est d’environ 3 mm. En raison du séparateur de faisceaux, chaque photon de l’impulsion laser se retrouve dans un état de superposition quantique correspondant à deux localisations possibles dans l’espace, le diamant de gauche ou celui de droite.

Dans les diamants eux-mêmes, un photon peut donner naissance à un phonon, c'est-à-dire un quanta d’énergie sonore des modes de vibrations du réseau cristallin. Le résultat est que les deux diamants se retrouvent en état d’intrication quantique.

Pour le prouver, on envoie une seconde impulsion lumineuse à travers les diamants. Si l’un des photons absorbe un phonon, son énergie s’en trouve augmentée et sa couleur se trouverait donc décalée vers le bleu si elle était rouge. Ses photons émergeant des deux diamants forment deux faisceaux qui sont à nouveau combinés en un seul, lequel sera encore séparé par un autre diviseur de faisceau.

Si les photons sont bien dans un état d’intrication, on peut montrer qu’ils n’émergeront du dernier séparateur que dans une seule branche du système optique. Dans le cas contraire, ils auront une égale probabilité de se trouver dans l’une des branches.

L’expérience a bien confirmé l’intrication des photons, et donc apparemment des diamants. Ce qui est remarquable c’est que l'expérience se déroule à température ambiante. Les diamants ont donc bien joué leur rôle de milieu isolant, protecteur de la décohérence. Reste à savoir jusqu’à quel point on peut de cette manière obtenir un grand nombre de qubits utilisables pour des calculs quantiques. Il est bien trop tôt pour en déduire que l’obstacle à la création d’un superordinateur quantique a été levé.