Matt Trushheim actionne l'interrupteur dans le laboratoire sombre et un puissant laser vert illumine un minuscule diamant maintenu en place sous un objectif de microscope. Une image apparaît sur l'écran de l'ordinateur, un nuage de gaz diffus parsemé de points verts brillants. Ces points lumineux sont de minuscules défauts à l'intérieur du diamant, dans lesquels deux atomes de carbone sont remplacés par un atome d'étain. La lumière laser qui les traverse passe d'une nuance de vert à une autre.
Plus tard, ce diamant sera refroidi à la température de l'hélium liquide. En contrôlant la structure cristalline d'un atome de diamant par atome, en l'amenant à quelques degrés au-dessus du zéro absolu et en appliquant un champ magnétique, les chercheurs du Laboratoire de photonique quantique, dirigé par le physicien Dirk Englund du MIT, pensent pouvoir sélectionner les propriétés mécaniques quantiques des photons et des électrons avec une telle précision. qu'ils pourront transférer des codes secrets incassables.
Trushheim est l'un des nombreux scientifiques qui tentent de déterminer quels atomes, enfermés dans des cristaux, dans quelles conditions leur permettront de prendre le contrôle de ce niveau. En fait, les scientifiques du monde entier tentent d'apprendre à contrôler la nature au niveau des atomes et au-dessous, des électrons ou même d'une fraction d'électrons. Leur objectif est de trouver les nœuds qui contrôlent les propriétés fondamentales de la matière et de l'énergie, et de resserrer ou de démêler ces nœuds en changeant la matière et l'énergie, pour créer des ordinateurs quantiques ou des supraconducteurs super puissants qui fonctionnent à température ambiante.
Ces scientifiques sont confrontés à deux défis majeurs. Au niveau technique, il est très difficile d'effectuer un tel travail. Certains cristaux, par exemple, doivent être purs à 99,99999999% dans des chambres à vide plus propres que l'espace. Un défi encore plus fondamental est que les effets quantiques que les scientifiques veulent freiner - par exemple, la capacité d'une particule à être dans deux états en même temps, comme le chat de Schrödinger - apparaissent au niveau d'électrons individuels. Dans le macrocosme, cette magie s'effondre. Par conséquent, les scientifiques doivent manipuler la matière à la plus petite échelle, et ils sont limités par les limites de la physique fondamentale. Leur succès déterminera comment notre compréhension de la science et des capacités technologiques changera au cours des prochaines décennies.
Le rêve de l'alchimiste
Manipuler la matière, dans une certaine mesure, consiste à manipuler des électrons. En fin de compte, le comportement des électrons dans une substance détermine ses propriétés dans son ensemble - cette substance sera un métal, un conducteur, un aimant ou autre chose. Certains scientifiques tentent de changer le comportement collectif des électrons en créant une substance synthétique quantique. Les scientifiques voient comment «nous prenons un isolant et le transformons en métal ou en semi-conducteur, puis en supraconducteur. Nous pouvons transformer un matériau non magnétique en un matériau magnétique », explique la physicienne Eva Andrew de l'Université Rutgers. "C'est le rêve d'un alchimiste devenu réalité."
Et ce rêve peut conduire à de véritables percées. Par exemple, les scientifiques ont essayé pendant des décennies de créer des supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante. Avec l'aide de ces matériaux, il serait possible de créer des lignes électriques qui ne gaspillent pas d'énergie. En 1957, les physiciens John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer ont démontré que la supraconductivité se produit lorsque les électrons libres d'un métal comme l'aluminium s'alignent dans ce qu'on appelle des paires de Cooper. Même étant relativement éloigné, chaque électron correspondait à un autre, avec le spin et l'élan opposés. Comme les couples dansant dans une foule dans une discothèque, les électrons appariés se déplacent en coordination avec d'autres, même si d'autres électrons passent entre eux.
Vidéo promotionelle:
Cet alignement permet au courant de circuler à travers le matériau sans rencontrer de résistance, et donc sans perte. Les supraconducteurs les plus pratiques développés à ce jour doivent être juste au-dessus du zéro absolu pour que cet état soit maintenu. Cependant, il peut y avoir des exceptions.
Récemment, des chercheurs ont découvert que le bombardement de matériel avec un laser à haute intensité peut également frapper des électrons en paires de Cooper, bien que brièvement. Andrea Cavalleri de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg, en Allemagne, et ses collègues ont trouvé des signes de supraconductivité photo-induite dans les métaux et les isolants. La lumière frappant le matériau fait vibrer les atomes et les électrons entrent brièvement dans un état de supraconductivité. «Le bouleversement doit être féroce», déclare David Esie, physicien de la matière condensée au California Institute of Technology, qui utilise la même technique laser pour manifester des effets quantiques inhabituels dans d'autres matériaux. «Pendant un moment, le champ électrique devient très fort - mais seulement pendant une courte période.
Codes incassables
Contrôler les électrons est la façon dont Trushheim et Englund ont entrepris de développer un cryptage quantique incassable. Dans leur cas, le but n'est pas de changer les propriétés des matériaux, mais de transférer les propriétés quantiques des électrons des diamants design vers des photons qui transmettent des clés cryptographiques. Dans les centres de couleur des diamants du laboratoire d'Englund, se trouvent des électrons libres, dont les spins peuvent être mesurés à l'aide d'un champ magnétique puissant. Un spin qui s'aligne avec le champ peut être appelé spin 1, un spin qui ne s'aligne pas est spin 2, qui équivaut à 1 et 0 dans le bit numérique. «C'est une particule quantique, donc elle peut être dans les deux états en même temps», dit Englund. Un bit quantique, ou qubit, est capable d'effectuer plusieurs calculs en même temps.
C'est là que naît une propriété mystérieuse: l'intrication quantique. Imaginez une boîte contenant des boules rouges et bleues. Vous pouvez en prendre un sans regarder et le mettre dans votre poche, puis partir pour une autre ville. Ensuite, sortez la balle de votre poche et constatez qu'elle est rouge. Vous comprendrez immédiatement qu'il y a une boule bleue dans la boîte. C'est de la confusion. Dans le monde quantique, cet effet permet de transmettre des informations instantanément et sur de longues distances.
Les centres colorés dans le diamant du laboratoire d'Englund transmettent les états quantiques des électrons qu'ils contiennent aux photons par enchevêtrement, créant des «qubits volants», comme les appelle Englund. Dans les communications optiques conventionnelles, un photon peut être transmis au receveur - dans ce cas, un autre vide vide dans le diamant - et son état quantique sera transféré à un nouvel électron, de sorte que les deux électrons sont liés. La transmission de ces bits obscurcis permettra à deux personnes de partager la clé cryptographique. «Chacun a une chaîne de zéros et de uns, ou de spins hauts et bas, qui semblent complètement aléatoires, mais ils sont identiques», dit Englund. En utilisant cette clé pour crypter les données transmises, vous pouvez les rendre absolument sécurisées. Si quelqu'un veut intercepter la transmission, l'expéditeur le saura,parce que le fait de mesurer un état quantique le changera.
Englund expérimente un réseau quantique qui envoie des photons par fibre optique à travers son laboratoire, un objet sur la route à l'Université de Harvard et un autre laboratoire du MIT à proximité de Lexington. Les scientifiques ont déjà réussi à transférer des clés cryptographiques quantiques sur de longues distances - en 2017, des scientifiques chinois ont rapporté avoir transféré une telle clé d'un satellite en orbite terrestre vers deux stations au sol distantes de 1200 kilomètres dans les montagnes du Tibet. Mais le débit de l'expérience chinoise était trop faible pour une communication pratique: les scientifiques n'ont enregistré qu'une paire déroutante sur six millions. Une innovation qui rendra pratiques les réseaux quantiques cryptographiques sur Terre sont les répéteurs quantiques, des dispositifs placés à intervalles sur le réseau qui amplifient le signal,sans changer ses propriétés quantiques. L'objectif d'Englund est de trouver des matériaux avec des défauts atomiques appropriés afin que ces répéteurs quantiques puissent être créés à partir d'eux.
L'astuce consiste à créer suffisamment de photons intriqués pour transporter les données. Un électron dans une lacune substituée à l'azote maintient son spin assez longtemps - environ une seconde - ce qui augmente les chances que la lumière laser le traverse et produise un photon intriqué. Mais l'atome d'azote est petit et ne remplit pas l'espace créé par l'absence de carbone. Par conséquent, les photons successifs peuvent être de couleurs légèrement différentes, ce qui signifie qu'ils perdront leur correspondance. D'autres atomes, l'étain, par exemple, adhèrent étroitement et créent une longueur d'onde stable. Mais ils ne pourront pas tenir la rotation assez longtemps - par conséquent, des travaux sont en cours pour trouver l'équilibre parfait.
Pointes fourchues
Alors qu'Englund et d'autres tentent de faire face aux électrons individuels, d'autres plongent plus profondément dans le monde quantique et tentent de manipuler la fraction d'électrons. Ce travail est enraciné dans une expérience en 1982, lorsque des scientifiques du Bell Laboratory et du Lawrence Livermore National Laboratory ont pris en sandwich deux couches de cristaux semi-conducteurs différents, les ont refroidies à près de zéro absolu et leur ont appliqué un champ magnétique puissant, piégeant les électrons dans un plan entre deux couches de cristaux. … Ainsi, une sorte de soupe quantique s'est formée dans laquelle le mouvement de tout électron individuel était déterminé par les charges qu'il ressentait d'autres électrons. «Ce ne sont plus des particules individuelles en elles-mêmes», explique Michael Manfra de l'Université Purdue. «Imaginez un ballet dans lequel chaque danseur ne fait pas seulement ses pas,mais réagit également au mouvement d'un partenaire ou d'autres danseurs. C'est une sorte de réponse générale."
La chose étrange dans tout cela est qu'une telle collection peut avoir des charges fractionnaires. Un électron est une unité indivisible, il ne peut pas être coupé en trois parties, mais un groupe d'électrons dans l'état souhaité peut produire une soi-disant quasi-particule avec 1/3 de la charge. «C'est comme si les électrons se séparaient», déclare Mohammed Hafezi, physicien à l'Institut mixte quantique. "C'est très étrange". Hafezi a créé cet effet dans du graphène ultra-froid, une couche monoatomique de carbone, et a récemment montré qu'il pouvait manipuler le mouvement des quasi-particules en éclairant le graphène avec un laser. «Il est maintenant surveillé», dit-il. «Les nodules externes tels que les champs magnétiques et la lumière peuvent être manipulés, remontés ou non liés. La nature du changement collectif est en train de changer."
La manipulation de quasiparticules vous permet de créer un type spécial de qubit - un qubit topologique. La topologie est une branche des mathématiques qui étudie les propriétés d'un objet qui ne changent pas même si cet objet est tordu ou déformé. Un exemple typique est un beignet: s'il était parfaitement élastique, il pourrait être transformé en une tasse à café sans rien changer; le trou dans le beignet jouera un nouveau rôle dans le trou de la poignée de la tasse. Cependant, pour transformer un beignet en bretzel, vous devrez y ajouter de nouveaux trous, en modifiant sa topologie.
Un qubit topologique conserve ses propriétés même dans des conditions changeantes. Habituellement, les particules changent leur état quantique, ou «décohere», lorsque quelque chose dans leur environnement est perturbé, comme de petites vibrations causées par la chaleur. Mais si vous faites un qubit à partir de deux quasi-particules séparées par une certaine distance, disons, aux extrémités opposées d'un nanofil, vous divisez essentiellement un électron. Les deux moitiés devraient subir la même violation pour se décocher, ce qui est peu probable.
Cette propriété rend les qubits topologiques attrayants pour les ordinateurs quantiques. En raison de la capacité d'un qubit à être dans une superposition de plusieurs états en même temps, les ordinateurs quantiques doivent être capables d'effectuer des calculs pratiquement impossibles sans eux, par exemple pour simuler le Big Bang. Manfra essaie essentiellement de construire des ordinateurs quantiques à partir de qubits topologiques chez Microsoft. Mais il existe également des approches plus simples. Google et IBM essaient essentiellement de construire des ordinateurs quantiques basés sur des fils surfondus qui deviennent des semi-conducteurs, ou des atomes ionisés dans une chambre à vide maintenue par des lasers. Le problème avec ces approches est qu'elles sont plus sensibles aux changements environnementaux que les qubits topologiques, surtout si le nombre de qubits augmente.
Ainsi, les qubits topologiques peuvent révolutionner notre capacité à manipuler de petites choses. Cependant, il y a un problème important: ils n'existent pas encore. Les chercheurs ont du mal à les créer à partir de particules dites de Majorana. Proposée par Ettore Majorana en 1937, cette particule est sa propre antiparticule. L'électron et son antiparticule, le positron, ont des propriétés identiques, à l'exception de la charge, mais la charge de la particule Majorana sera nulle.
Les scientifiques pensent que certaines configurations d'électrons et de trous (pas d'électrons) peuvent se comporter comme des particules de Majorana. Ils peuvent à leur tour être utilisés comme qubits topologiques. En 2012, le physicien Leo Kouvenhoven de l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas et ses collègues ont mesuré ce qu'ils pensaient être des particules de Majorana dans un réseau de nanofils supraconducteurs et semi-conducteurs. Mais le seul moyen de prouver l'existence de ces quasiparticules est de créer un qubit topologique basé sur eux.
D'autres experts dans ce domaine sont plus optimistes. «Je pense que sans aucune question, quelqu'un créera un jour un qubit topologique, juste pour le plaisir», déclare Steve Simon, théoricien de la matière condensée à l'Université d'Oxford. "La seule question est de savoir si nous pouvons en faire l'ordinateur quantique du futur."
Les ordinateurs quantiques - ainsi que les supraconducteurs à haute température et le cryptage quantique incassable - peuvent ou non apparaître dans de nombreuses années. Mais en même temps, les scientifiques tentent de déchiffrer les mystères de la nature à la plus petite échelle. Jusqu'à présent, personne ne sait jusqu'où ils peuvent aller. Plus nous pénétrons profondément dans les plus petits composants de notre univers, plus ils nous repoussent.
Ilya Khel
