Des scientifiques réussissent à inverser le flux temporel quantique dans une avancée physique époustouflante
Des chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode pour contrôler les systèmes quantiques, permettant à leur comportement d’apparaître plus cohérent avec un temps qui s’écoule à l’envers plutôt qu’à l’endroit. Cette recherche, publiée dans la revue Physical Review X, introduit des protocoles de contrôle quantique qui redéfinissent la « flèche du temps », un concept selon lequel le temps se déplace naturellement dans une seule direction. Cette approche pourrait éventuellement soutenir de nouvelles méthodes pour extraire de l’énergie des systèmes quantiques et préparer des états quantiques.
Un système quantique, tel qu’un groupe de qubits, suit les règles de la mécanique quantique plutôt que celles de la physique classique. Grâce aux protocoles de contrôle récemment développés, les chercheurs peuvent supprimer l’émergence habituelle de la flèche du temps ou même inverser sa direction apparente, rendant les processus quantiques semblables à ceux se déroulant à l’envers. En démonstration de cette technique, l’équipe a également créé un moteur de me capable de récolter de l’énergie à partir de l’acte de réaliser des mes quantiques.
« Contrairement aux phénomènes que nous observons autour de nous, au niveau microscopique, la plupart des lois fondamentales de la physique permettent un mouvement tant vers l’avant que vers l’arrière dans le temps », a déclaré Luis Pedro García-Pintos, physicien au Laboratoire national de Los Alamos. « En d’autres termes, ces lois de la physique sont symétriques par rapport à l’inversion du temps ; les équations fonctionnent tout aussi bien si vous inversez le temps. Pour les systèmes quantiques, qui opèrent à ce niveau microscopique, les outils que nous avons construits peuvent manipuler la flèche du temps perçue, conduisant à des façons surprenantes et nouvelles de contrôler les systèmes quantiques. »
Ingénierie du comportement quantique inversé
Dans la physique classique quotidienne, effectuer une me a peu d’effet sur l’objet observé. Les systèmes quantiques se comportent très différemment. Les mer modifie aléatoirement leur état, créant naturellement une flèche du temps. Pour surmonter cet effet, les chercheurs ont combiné des mes avec des retours d’information pour produire des trajectoires stochastiques inversées. Cela a permis aux systèmes quantiques de suivre des chemins qui semblent cohérents avec un temps qui s’écoule à l’envers.
L’équipe a réussi cela en concevant un Hamiltonien de contrôle, une séquence soigneusement planifiée de champs et d’impulsions qui reproduit les effets des mes quantiques. Lorsqu’il est intégré dans un système de rétroaction, l’Hamiltonien peut annuler, renforcer ou même surcorriger les perturbations causées par les mes. En conséquence, le système peut générer des trajectoires correspondant à des flèches du temps étirées, floues ou inversées.
Une version quantique du démon de Maxwell
Ce travail s’appuie également sur l’expérience de pensée célèbre du 19ème siècle connue sous le nom de « démon de Maxwell ». Dans ce scénario, un observateur hypothétique trie sélectivement des particules chaudes et froides, réduisant apparemment l’entropie et remettant en question la seconde loi de la thermodynamique, qui stipule que l’entropie augmente naturellement ou reste constante. (Des études ultérieures en physique ont montré que la seconde loi n’est pas violée lorsque toutes les sources de coûts thermodynamiques sont prises en compte.)
Le « démon » quantique de l’équipe de Los Alamos utilise des informations sur l’état d’un système quantique et les résultats des mes pour produire un comportement tout aussi inhabituel, inversant effectivement la flèche naturelle du temps du système.
Extraction d’énergie à partir des mes quantiques
Les nouvelles méthodes de contrôle permettent également aux chercheurs d’influencer la manière dont l’énergie entre et sort d’un système quantique. Cette capacité pourrait alimenter un moteur de me continu qui extrait de l’énergie utile directement à partir du processus de surveillance. Dans ce cadre, les mes quantiques deviennent une ressource thermodynamique pouvant être exploitée pour effectuer un travail, comme alimenter un autre processus quantique ou stocker de l’énergie dans une batterie quantique.
À l’avenir, les chercheurs prévoient de démontrer expérimentalement des processus de me basés sur l’Hamiltonien pour le contrôle de rétroaction quantique en utilisant des qubits supraconducteurs. Ces systèmes soutiennent une rétroaction rapide, une détection hautement efficace et ont déjà été utilisés pour mettre en œuvre des versions quantiques du démon de Maxwell. Les études futures appliqueront également les nouvelles techniques pour développer des protocoles de préparation d’état quantique améliorés.
Financement : Ce travail est soutenu par le département américain de l’Énergie, le bureau des sciences, le programme de recherche en informatique scientifique avancée, le projet « Beyond Moore’s Law » du programme de simulation et de calcul avancé à Los Alamos, et la National Science Foundation.
Source : Physical Review X
