Le zéro absolu dans l’ordinateur quantique

La température la plus basse possible est de -273,15 degrés Celsius. Il n’est jamais possible de refroidir un objet exactement à cette température – on ne peut que s’approcher du zéro absolu. C’est la troisième loi de la thermodynamique.

Une équipe de chercheurs de la TU Wien (Vienne) s’est penchée sur la question : Comment concilier cette loi avec les règles de la physique quantique ? Ils ont réussi à développer une « version quantique » de la troisième loi de la thermodynamique : Théoriquement, le zéro absolu peut être atteint. Mais pour toute recette concevable, il faut trois ingrédients : l’énergie, le temps et la complexité : l’énergie, le temps et la complexité. Et ce n’est que si l’on dispose d’une quantité infinie de l’un de ces ingrédients que l’on peut atteindre le zéro absolu.

Information et thermodynamique : une contradiction apparente

Lorsque les particules quantiques atteignent le zéro absolu, leur état est connu avec précision : elles sont assurées d’être dans l’état où l’énergie est la plus faible. Les particules ne contiennent alors plus aucune information sur l’état dans lequel elles se trouvaient auparavant. Tout ce qui a pu arriver à la particule auparavant est parfaitement effacé. Du point de vue de la physique quantique, le refroidissement et l’effacement d’informations sont donc étroitement liés.

À ce stade, deux théories physiques importantes se rencontrent : La théorie de l’information et la thermodynamique. Mais ces deux théories semblent se contredire : « Grâce à la théorie de l’information, nous connaissons le principe dit de Landauer. Il stipule qu’une quantité minimale d’énergie très spécifique est nécessaire pour supprimer un bit d’information », explique le professeur Marcus Huber, de l’Institut atomique de l’Université technique de Vienne (TU Wien). En revanche, la thermodynamique indique qu’il faut une quantité infinie d’énergie pour refroidir un objet jusqu’au zéro absolu. Mais si la suppression d’informations et le refroidissement jusqu’au zéro absolu sont la même chose, comment cela s’explique-t-il ?

Énergie, temps et complexité

L’origine du problème réside dans le fait que la thermodynamique a été formulée au XIXe siècle pour des objets classiques – des machines à vapeur, des réfrigérateurs ou des morceaux de charbon incandescents. À l’époque, les gens n’avaient aucune idée de la théorie quantique. Si nous voulons comprendre la thermodynamique des particules individuelles, nous devons d’abord analyser l’interaction entre la thermodynamique et la physique quantique, et c’est exactement ce qu’ont fait Marcus Huber et son équipe.

« Nous avons rapidement réalisé qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser une énergie infinie pour atteindre le zéro absolu« , explique Marcus Huber. « C’est également possible avec une énergie finie, mais il faut alors un temps infiniment long pour y parvenir. Jusqu’à présent, les considérations sont toujours compatibles avec la thermodynamique classique telle que nous la connaissons dans les manuels scolaires« . Mais l’équipe a ensuite découvert un détail supplémentaire d’une importance cruciale :

« Nous avons découvert qu’il est possible de définir des systèmes quantiques qui permettent d’atteindre l’état fondamental absolu même à une énergie finie et en un temps fini – aucun d’entre nous ne s’y attendait« , explique Marcus Huber. « Mais ces systèmes quantiques spéciaux ont une autre propriété importante : ils sont infiniment complexes. Il faudrait donc un contrôle infiniment précis sur un nombre infini de détails du système quantique pour pouvoir refroidir un objet quantique jusqu’au zéro absolu en un temps fini et avec une énergie finie. En pratique, bien sûr, c’est tout aussi inaccessible qu’une énergie infiniment élevée ou un temps infiniment long.« 

Effacement des données dans l’ordinateur quantique

« Si l’on veut effacer parfaitement des informations quantiques dans un ordinateur quantique et, ce faisant, transférer un qubit à un état fondamental parfaitement pur, il faut théoriquement un ordinateur quantique infiniment complexe, capable de contrôler parfaitement un nombre infini de particules« , explique Marcus Huber. En pratique, cependant, la perfection n’est pas nécessaire – aucune machine n’est jamais parfaite. Il suffit qu’un ordinateur quantique fasse assez bien son travail. Ces nouveaux résultats ne constituent donc pas un obstacle de principe au développement des ordinateurs quantiques.

Dans les applications pratiques des technologies quantiques, la température joue aujourd’hui un rôle clé : plus la température est élevée, plus il est facile pour les états quantiques de se briser et de devenir inutilisables pour tout usage technique. « C’est précisément la raison pour laquelle il est si important de mieux comprendre le lien entre la théorie quantique et la thermodynamique », explique Marcus Huber. « Il y a actuellement beaucoup de progrès intéressants dans ce domaine. Il devient peu à peu possible de voir comment ces deux parties importantes de la physique s’interpénètrent« .

Légende illustration : Lorsque de nombreuses particules quantiques interagissent, des systèmes complexes peuvent être formés. Et cette complexité permet d’atteindre une température de zéro absolu – du moins en principe.

Credit / IQOQI/ÖAW