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Les physiciens ont créé un système de deux cristaux de temps connectés, qui sont d’étranges systèmes quantiques coincés dans une boucle sans fin à laquelle les lois normales de la thermodynamique ne s’appliquent pas. En connectant deux cristaux de temps ensemble, les physiciens espèrent utiliser la technologie pour éventuellement construire un nouveau type d’ordinateur quantique.
« C’est un privilège rare d’explorer une phase complètement nouvelle de la matière », a déclaré Samuli Autti, scientifique principal du projet de l’Université de Lancaster au Royaume-Uni, à Live Science dans un e-mail.
Du cristal au cristal du temps
Nous rencontrons des cristaux normaux tout le temps dans la vie de tous les jours, de la glace dans un cocktail aux diamants dans les bijoux. Alors que les cristaux sont jolis, pour un physicien, ils représentent une rupture des symétries normales de la nature.
Les lois de la physique sont symétriques dans l’espace. Cela signifie que les équations fondamentales de la gravité or électromagnétisme ou la mécanique quantique s’appliquent également dans tout le volume de la univers. Ils fonctionnent également dans n’importe quelle direction. Ainsi, une expérience de laboratoire qui est tournée de 90 degrés devrait produire les mêmes résultats (toutes choses étant égales par ailleurs, bien sûr).
Mais dans un cristal, cette magnifique symétrie est brisée. Les molécules d’un cristal s’arrangent dans une direction privilégiée, créant une structure spatiale répétitive. Dans le jargon des physiciens, un cristal est un parfait exemple de « rupture spontanée de symétrie » – les lois fondamentales de la physique restent symétriques, mais l’arrangement des molécules ne l’est pas.
En 2012, le physicien Frank Wilczek, du Massachusetts Institute of Technology, a remarqué que les lois de la physique ont aussi une symétrie temporelle. Cela signifie que toute expérience répétée ultérieurement temps devrait produire le même résultat. Wilczek a fait une analogie avec les cristaux normaux, mais dans la dimension du temps, qualifiant cette symétrie spontanée traversant le temps de cristal temporel. Quelques années plus tard, les physiciens ont pu enfin en construire un.
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Secrets quantiques
« Un cristal temporel continue de bouger et se répète périodiquement dans le temps en l’absence d’encouragement extérieur », a déclaré Autti. Ceci est possible car le cristal temporel est dans son état d’énergie le plus bas. Les règles de base de la mécanique quantique empêchent le mouvement de devenir complètement immobile, et ainsi le cristal du temps reste « coincé » dans son cycle sans fin.
« Cela signifie qu’ils sont des machines à mouvement perpétuel, et donc impossibles », a fait remarquer Autti.
Les lois de la thermodynamique suggèrent que les systèmes en équilibre tendent vers plus d’entropie ou de désordre – une tasse de café assise refroidira toujours, un pendule finira par cesser de se balancer et une balle roulant sur le sol finira par s’immobiliser. Mais un cristal temporel défie cela, ou simplement l’ignore, car les règles de la thermodynamique ne semblent pas s’y appliquer. Au lieu de cela, les cristaux de temps sont soumis à la mécanique quantique, les règles qui régissent le zoo des particules subatomiques.
« En physique quantique, une machine à mouvement perpétuel convient tant que nous gardons les yeux fermés, et elle ne doit commencer à ralentir que si nous observons le mouvement », a déclaré Autti, faisant référence au fait que les états mécaniques quantiques exotiques requis pour le temps les cristaux ne peuvent pas continuer à fonctionner une fois qu’ils interagissent avec leur environnement (par exemple, si nous les observons).
Cela implique que les physiciens ne peuvent pas observer directement les cristaux de temps. Au moment où ils essaient d’en regarder un, les règles quantiques qui leur permettent d’exister s’effondrent et le cristal du temps s’arrête. Et ce concept va au-delà de l’observation : toute interaction suffisamment forte avec l’environnement extérieur qui décompose l’état quantique du cristal temporel le fera cesser d’être un cristal temporel.
C’est là que l’équipe d’Autti est intervenue, essayant de trouver un moyen d’interagir avec un cristal de temps quantique grâce à des observations classiques. A l’échelle la plus infime, la physique quantique règne. Mais les insectes, les chats, les planètes et les trous noirs sont mieux décrits par les règles déterministes de la mécanique classique.
« Le continuum de la physique quantique à la physique classique reste mal compris. Comment l’un devient l’autre est l’un des mystères les plus remarquables de la physique moderne. Les cristaux de temps couvrent une partie de l’interface entre les deux mondes. Peut-être pouvons-nous apprendre à supprimer l’interface en étudiant en détail les cristaux de temps », a déclaré Autti.
magnons magiques
Dans la nouvelle étude, Autti et son équipe ont utilisé des « magnons » pour construire leur cristal temporel. Les magnons sont des « quasiparticules » qui émergent dans l’état collectif d’un groupe de atomes. Dans ce cas, l’équipe de physiciens a pris de l’hélium-3 – un atome d’hélium avec deux protons mais un seul neutron – et l’a refroidi à moins d’un dix millième de degré au-dessus du zéro absolu. À cette température, l’hélium-3 s’est transformé en un condensat de Bose-Einstein, où tous les atomes partagent un état quantique commun et travaillent de concert les uns avec les autres.
Dans ce condensat, tous les spins des électrons de l’hélium-3 se sont liés et ont travaillé ensemble, générant des ondes d’énergie magnétique, les magnons. Ces vagues oscillaient pour toujours, faisant d’elles un cristal temporel.
L’équipe d’Autti a pris deux groupes de magnons, chacun fonctionnant comme son propre cristal temporel, et les a suffisamment rapprochés pour s’influencer mutuellement. Le système combiné de magnons a agi comme un cristal unique avec deux états différents.
L’équipe d’Autti espère que leurs expériences pourront clarifier la relation entre la physique quantique et la physique classique. Leur objectif est de construire des cristaux temporels qui interagissent avec leurs environnements sans que les états quantiques ne se désintègrent, permettant au cristal temporel de continuer à fonctionner pendant qu’il est utilisé pour autre chose. Cela ne signifierait pas de l’énergie libre – le mouvement associé à un cristal temporel n’a pas d’énergie cinétique au sens habituel, mais il pourrait être utilisé pour l’informatique quantique.
Avoir deux états est important, car c’est la base du calcul. Dans les systèmes informatiques classiques, l’unité d’information de base est un bit, qui peut prendre un état 0 ou 1, tandis qu’en informatique quantique, chaque « qubit » peut se trouver à plusieurs endroits en même temps, permettant beaucoup plus de calcul Puissance.
« Cela pourrait signifier que les cristaux de temps peuvent être utilisés comme élément de base pour des dispositifs quantiques qui fonctionnent également en dehors du laboratoire. Dans une telle entreprise, le système à deux niveaux que nous avons maintenant créé serait un élément de base », a déclaré Autti.
Ces travaux sont actuellement très éloignés d’un ordinateur quantique fonctionnel, mais ils ouvrent des voies de recherche intéressantes. Si les scientifiques peuvent manipuler le système à deux cristaux temporels sans détruire ses états quantiques, ils pourraient potentiellement construire de plus grands systèmes de cristaux temporels qui serviraient de véritables dispositifs de calcul.
Publié à l’origine sur Live Science.
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