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Le grand physicien théoricien George Sudarshan a été à l’origine du nom de l’effet Zénon quantique, dont il fut l’un des premiers à signaler la présence dans le monde quantique. En effet, comme Alan Turing avant lui, il a montré qu’en observant suffisamment fréquemment une particule instable, on l’empêchait de se désintégrer ! Aujourd'hui, l'effet Zénon est peut-être une clé pour la réalisation des ordinateurs quantiques. © ICTP
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 faiblesinteractions faibles, peut dans le premier cas se désexciter pour émettre des photonsphotons, ou, dans le second, émettre d'autres particules, comme des muonsmuons et des neutrinosneutrinos 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.
L'effet Zénon d'Alan Turing
Du nom du philosophe grec Zénon d'Élée (qui pensait avoir démontré que le mouvementmouvement 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 émissionsémissions 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 ionsions refroidis par laserlaser et piégés par des champs magnétiqueschamps 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 physiciensphysiciens 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 spinspin d'un électronélectron dans l'un des centres colorés contenant de l'azoteazote au sein d'un diamantdiamant. 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 photoluminescencephotoluminescence 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 quantiquesordinateurs 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.
Mesurer pour stopper la décohérence
Un ordinateur quantique puissant doit posséder un grand nombre de qubitsqubits 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 quantiqueintrication 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 lumièrelumière 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 portesportes logiques d'un ordinateur quantique. Et surtout si l'on peut effectivement résoudre le problème de la décohérence de cette façon.
