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Maîtriser les phénomènes quantiques grâce à une raquette de tennis

La mécanique classique au service de l'ordinateur quantique

Technical University of Munich (TUM)

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IMAGE: Le mouvement d'une raquette de tennis lancée en l'air permet de prédire le comportement des quanta. Tandis que la raquette pivote de 360° autour de son axe transversal, l'effet Djanibekov... view more 

Credit: Steffen Glaser / TUM

L'ingénierie quantique incarne la technologie du future : plus petite, plus rapide et plus puissante que l'électronique classique. Il est néanmoins difficile d'exploiter les effets quantiques, car les éléments infiniment petits de la matière possèdent des propriétés différentes de celles du monde que nous connaissons. Une équipe internationale de chercheurs est désormais parvenue à établir comment manipuler les quanta avec une bonne tolérance aux erreurs grâce à un phénomène de mécanique classique.

Le mouvement d'une raquette de tennis lancée en l'air permet de prédire le comportement des quanta. « Grâce à une analogie issue de la physique classique, nous pouvons concevoir et développer de manière plus efficace des systèmes fiables pour contrôler les phénomènes de la physique quantique », rapporte Steffen Glaser, professeur de la faculté de chimie de l'Université technique de Munich (TUM).

« À ce jour, il est difficile de contrôler et d'utiliser les propriétés des quanta pour des processus techniques, car les quanta obéissent à leurs propres lois, qui dépassent souvent notre imagination », explique le scientifique. « Les applications possibles, tel que les réseaux cryptés, les appareils de mesure ultra-sensibles et les ordinateurs quantiques ultra-rapides, en sont encore à leurs balbutiements. »

Les quanta sous contrôle

« Si on veut exploiter les effets quantiques à des fins technologiques en influençant le comportement des particules à l'aide de champs électromagnétiques, il nous faut des méthodes plus rapides afin de pouvoir concevoir des séquences de contrôle tolérantes aux erreurs », selon Steffen Glaser. « Jusqu'à présent, la plupart de ces méthodes s'appuient cependant sur des méthodes de calcul très complexes. »

En collaboration avec une équipe internationale composée de physiciens, de chimistes et de mathématiciens, le chercheur a désormais mis au point une approche novatrice surprenante et prometteuse : En s'appuyant sur le théorème de la raquette de tennis, ou effet Djanibekov, un phénomène de mécanique classique connu de longue date, on peut prédire comment modifier de la façon voulue le moment cinétique des quanta par le biais d'instructions de commande électromagnétiques.

Mouvement de la raquette de tennis dans les airs

L'effet Djanibekov décrit ce qui se produit lorsqu'une raquette est lancée dans les airs et est mise en rotation. Si on essaie de faire pivoter la raquette dans les airs sur son axe transversal, on observe un phénomène plutôt surprenant : en même temps que la rotation attendue de 360° autour de l'axe transversal, la raquette effectue presque systématiquement une rotation supplémentaire de 180° autour de son axe longitudinal. Lorsqu'on rattrape la raquette, sa face inférieure est désormais tournée vers le haut.

« Cet effet est dû à de petites imprécisions et erreurs lors du lancer et aux différents moments d'inertie des trois axes d'un corps asymétrique. Au lieu d'une raquette de tennis, on peut lancer un livre ou un téléphone mobile dans les airs (au-dessus d'un support mou pour plus de sécurité) afin d'observer le phénomène », ajoute Steffen Glaser. L'axe de rotation le plus long et l'axe le plus court sont stables. En revanche, l'axe central, soit l'axe transversal si on prend une raquette de tennis, est instable et la moindre perturbation entraîne à coup sûr une rotation supplémentaire à 180°.

Les quanta en mouvement

Les quanta ont eux aussi un moment de rotation : le spin. Celui-ci est influencé par la création de champs électromagnétiques. « L'objectif de l'ingénierie quantique est de modifier l'orientation du spin comme on le souhaite afin de réduire les erreurs dues aux perturbations. », explique Steffen Glaser.

« L'analogie mathématique que nous avons trouvée entre les propriétés géométriques des objets en rotation libre de la physique classique et le contrôle des phénomènes quantiques peut désormais être exploitée pour améliorer le contrôle électromagnétique des états quantiques », résume le professeur et coauteur Dominique Sugny. Titulaire de la Hans Fischer Fellowship, le scientifique de l'Université de Bourgogne en France effectue également des recherches à l'Institute for Advanced Studies de la TUM.

De nouveaux modèles résistants

L'équipe a pu confirmer au moyen d'expériences mesurant les spins nucléaires que l'effet Djanibekov permettait effectivement d'améliorer la résistance des séquences de contrôle. Leurs résultats sont désormais publiés dans la revue spécialisée « Scientific Reports ».

« Grâce aux résultats de ces recherches, nous pouvons désormais développer des modèles mathématiques plus performants permettant d'éviter les erreurs lors du contrôle des processeurs quantiques », ajoute Steffen Glaser. « À partir de phénomènes bien maîtrisés de la physique classique, nous sommes en mesure non seulement de développer des séquences de contrôle fiables en technologie quantique, mais également de l'effectuer beaucoup plus rapidement. »

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Les travaux ont été subventionnés par l'agence allemande de financement pour la recherche Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) et par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), par le programme de subvention mexicain Convocatorias Abiertas Fondo de Cooperación Internacional en Ciencia y Tecnología del Conacyt (FONCICYT) de l'Universidad Nacional Autónoma de México, par le réseau d'excellence Elitenetzwerk Bayern et par l'Université technique de Munich via l'Institute for Advanced Study soutenu par l'initiative pour l'excellence allemande et l'Union Européenne. Les expériences ont été menées au Bayerisches NMR-Zentrum (centre bavarois de recherche RMN) à Garching en Allemagne.

Publication :

Linking the rotation of a rigid body to the Schrödinger equation: The quantum tennis racket effect and beyond
L. Van Damme, D. Leiner, P. Mardešić, S. J. Glaser & D. Sugny
Scientific Reports 7, Article number: 3998 (2017) - DOI: 10.1038/s41598-017-04174-x

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