Matière noire : des cristaux quantiques pourraient la déceler

La découverte de la théorie quantique s'est étalée sur une trentaine d'années si l'on veut faire large, culminant par les travaux de Dirac, von Neumann et EinsteinEinstein sur l'antimatière, la théorie de champs et la théorie de la mesure quantique pour des systèmes intriqués. Elle avait commencé par la résolutionrésolution de certains problèmes concernant la façon dont la matière émet et absorbe du rayonnement, notamment lorsqu'elle est chauffée avec le mythique problème du corps noir, mais aussi sous la forme de raies lumineuses constituant autant de cartes d'identité des éléments. Trois noms y sont essentiellement associés, PlanckPlanck, Bohr et Einstein, qui en cherchant à combiner les travaux des deux premiers vont poser les bases de l'effet laser et même de la découverte des équations de Schrödinger et Heisenberg.

Erwin Schrödinger en 1956. © Cern, Pfaundler, Innsbruck

Ce fut une révolution conceptuelle majeure qui n'est pas achevée, car non seulement nous n'avons toujours pas de théorie quantique de la gravitation mais on suspecte que des effets quantiques encore incompris sont à l’origine de la conscience.

Le physicien russe Vladimir Braginsky, pionnier de la détection des ondes gravitationnelles. © Uspekhi Fizicheskikh Nauk

Les révolutions technologiques de la théorie quantique

Une seconde révolution s'est produite ensuite au cours de la seconde moitié du XX^e siècle, mais technologique celle-là. Nous assistons actuellement au début de sa deuxième phase dont la portée n'est pas encore très claire. Il s'agit de celle des ordinateurs quantiques, suivant en cela les travaux de pionniers de Richard Feynman, et plus généralement des techniques et des capteurscapteurs relevant d'une « information quantique ».

Après la première qui s'est exprimée sous la forme des semi-conducteurssemi-conducteurs, du laser, de l'IRMIRM et des supraconducteurssupraconducteurs, comme ceux employés pour les Squids, on assiste au début prometteur de la seconde avec l'utilisation de la superposition et de l'intrication quantiqueintrication quantique, ainsi que des progrès dans les techniques de mesures quantiques. Aussi, nous n'aurions pas vraiment pu entrer dans le domaine de l'astronomie gravitationnelle sans notamment les travaux du regretté physicienphysicien russe Vladimir Braginsky sur la théorie des mesures quantiques (voir son livre Quantum Measurement).

En ce qui concerne les ordinateurs quantiquesordinateurs quantiques, on pense qu'il est possible d'utiliser les principes et phénomènes exotiquesexotiques de la mécanique quantiquemécanique quantique, notamment celui d'intrication quantique, pour effectuer certains calculs trop difficiles et trop longs pour simuler le comportement de certains systèmes quantiques avec des ordinateurs classiques. Certains algorithmes dits quantiques, utilisant la généralisation du concept de bits classiques, sont en effet connus pour permettre de résoudre des problèmes intraitables avec les algorithmes classiques connus, même sur des super-ordinateurs.

L'idéal serait bien sûr de disposer d'un véritable ordinateur quantique universel programmable, une machine de Turing universelle, mais on se trouve confronté à un redoutable obstacle si l'on souhaite obtenir ne serait-ce que l'équivalent d'une calculatrice programmable des années 1970 : celui de la décohérence.

Un objectif plus raisonnable est d'obtenir plutôt un simulateur quantique, c'est-à-dire l'équivalent des calculateurs analogiquesanalogiques que l'on employait déjà avant que n'existent des ordinateurs. Ainsi, un circuit électrique avec des oscillateurs simples à fabriquer et à modifier peut être décrit par des équations mathématiquement identiques à celles d'un système mécanique complexe, comme une voiturevoiture ou un avion. De même, certains systèmes quantiques aux propriétés facilement contrôlables sont équivalents à d'autres qui le sont plus difficilement.

On cherche, en particulier, à comprendre de cette façon ce qui se passe dans certains matériaux magnétiques complexes, comme les supraconducteurs à hautes températures critiques. La chimie n'est pas en reste puisque l'on tente aussi de faire des simulateurs quantiques de certaines moléculesmolécules.

Parmi les approches les plus prometteuses avec les ordinateurs quantiques et déjà simplement des simulateurs quantiques, il y a celle où l'on constitue une sorte de réseaux cristallins d'ionsions portant des qubits, des unités d'informations quantiques, au niveau de spinsspins portés par les particules composant les ions.

D'un simulateur quantique à un détecteur quantique hypersensible

Pour réaliser un simulateur quantique de milieux magnétiques, un bon moyen est d'utiliser un piège à ions, comme celui de Penning, pour tenter de reconstituer l'équivalent d'un modèle d’Ising en 2D. Des ions de bérylliumbéryllium possèdent un moment cinétiquemoment cinétique, un spin, qui les dote aussi d'un moment magnétiquemoment magnétique. Ils se comportent donc un peu comme des toupies qui seraient en plus aimantées. Selon l'orientation de ce moment cinétique, haut ou bas, on a donc l'équivalent d'un chiffre binairebinaire, 0 ou 1. Comme ces ions peuvent être placés en état de superposition et même d'intrication quantique, il s'agit bien de qubitsqubits (quantum bits).

Les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NISTNIST) aux États-Unis, à Boulder, explorent ce genre de cristaux quantiques artificiels depuis des années. Ces ions peuvent osciller collectivement à la façon d'une membrane de tambour (voir la vidéo ci-dessus) et l'on peut régler diverses caractéristiques de ce réseau cristallinréseau cristallin reconstitué à l'aide de micro-ondes et d'impulsions laser, comme si on avait affaire à différents types de réseaux cristallins avec des couplages faibles ou forts entre les ions.

Un schéma montrant une partie des ions de béryllium (sphères bleues) piégés et plongés dans un champ magnétique de 4,5 teslas. Leur moment magnétique (flèches rouges) est orienté dans une même direction. © Britton/NIST

Ces mêmes chercheurs du National Institute of Standards and Technology ont publié le mois dernier un intéressant article dans le réputé journal Science, article que l'on peut aussi trouver en accès libre sur arXiv. Ils se sont rendu compte que leurs recherches précédentes sur les simulateurs quantiques pouvaient leur permettre d'obtenir un capteur quantique battant un record de sensibilité en ce qui concerne la mesure de champs électriqueschamps électriques de très faible intensité.

Les chercheurs ont d'abord produit un état d'intrication quantique des états de mouvementmouvement d'oscillation de 150 ions de béryllium avec l'état quantique collectif de spin d'électronsélectrons associés à ces ions. Ce faisant, ils ont montré qu'il pouvait de cette façon mieux contrôler les effets d'indéterminations quantiques inhérents aux objets quantiques tournant autour des fameuses inégalités de Heisenberginégalités de Heisenberg, ainsi que des effets de bruit non plus quantique mais classique et thermique que l'on trouve également dans les dispositifs électroniques classiques.

Le cristal quantique 2D, dont la taille est d'environ deux fois le diamètre d'un cheveu, permet alors de faire en une seconde des mesures de champs électriques 10 fois plus précises que celles permises par de précédents capteurs (en l'occurrence de l'ordre de 240 nanovolts par mètre). En passant à un cristal 3D pouvant contenir 100.000 ions, les physiciens pensent même pouvoir gagner un facteur de l'ordre de deux ordres de grandeurordres de grandeur environ (100).

En utilisant cette technique de mesure avec intrication, les chercheurs avancent également qu'ils ont ouvert la voie à un nouveau capteur quantique pour partir à la chasse aux particules de matière noirematière noire, plus précisément celle que l'on appelle des axionsaxions. On sait que dans un champ magnétiquechamp magnétique, les axions peuvent se convertir en photonsphotons et donc produire un champ électrique, c'est l'effet Primakoff. C'est d'ailleurs une des techniques pour les chasser, un faisceau laser passant dans un champ magnétique devrait produire des axions capables de traverser un murmur puis de se reconvertir en photon dans un autre champ magnétique. Au final un laser éclairerait donc à travers un mur.

Le Soleil est censé produire des axions si ces particules existent et elles sont également censées être très nombreuses autour de nous comme fossilesfossiles du Big BangBig Bang.