Le chat de Schrödinger le plus lourd obtenu en plaçant un petit cristal dans une superposition de deux états d’oscillation

Même si vous n’êtes pas un physicien quantique, vous avez très probablement entendu parler du célèbre chat de Schrödinger. Erwin Schrödinger a inventé le félin qui peut être vivant et mort en même temps dans une expérience de pensée en 1935. La contradiction évidente – après tout, dans la vie de tous les jours, nous ne voyons que des chats vivants ou morts – a incité les scientifiques à essayer de réaliser des situations analogues en laboratoire. Jusqu’à présent, ils ont réussi à le faire en utilisant, par exemple, des atomes ou des molécules dans des états de superposition mécanique quantique, c’est-à-dire à deux endroits en même temps.

À l’ETH, une équipe de chercheurs dirigée par Yiwen Chu, professeur au Laboratoire de physique des solides, vient de créer un chat de Schrödinger sensiblement plus lourd en plaçant un petit cristal dans une superposition de deux états d’oscillation. Leurs résultats, publiés cette semaine dans la revue Sciencepourrait conduire à des bits quantiques plus robustes et éclaircir le mystère de la raison pour laquelle les superpositions quantiques ne sont pas observées dans le monde macroscopique.

Chat dans une boîte

Dans l’expérience de pensée originale de Schrödinger, un chat est enfermé dans une boîte en métal avec une substance radioactive, un compteur Geiger et un flacon de poison. Dans un certain laps de temps – une heure, disons – un atome de la substance peut ou non se désintégrer par un processus mécanique quantique avec une certaine probabilité, et les produits de désintégration peuvent faire exploser le compteur Geiger et déclencher un mécanisme qui brise le flacon contenant le poison, qui finirait par tuer le chat.

Puisqu’un observateur extérieur ne peut pas savoir si un atome s’est réellement désintégré, il ne sait pas non plus si le chat est vivant ou mort – selon la mécanique quantique, qui régit la désintégration de l’atome, il devrait être dans un état vivant/mort état de superposition. (L’idée de Schrödinger est commémorée par une figure de chat grandeur nature devant son ancienne maison à Huttenstrasse 9 à Zurich).

“Bien sûr, en laboratoire, nous ne pouvons pas réaliser une telle expérience avec un vrai chat pesant plusieurs kilogrammes”, explique Chu. Au lieu de cela, elle et ses collègues ont réussi à créer un soi-disant état de chat en utilisant un cristal oscillant, qui représente le chat, avec un circuit supraconducteur représentant l’atome d’origine. Ce circuit est essentiellement un bit quantique ou qubit qui peut prendre les états logiques “0” ou “1” ou une superposition des deux états, “0+1”.

Le lien entre le qubit et le cristal “chat” n’est pas un compteur Geiger et un poison, mais plutôt une couche de matériau piézoélectrique qui crée un champ électrique lorsque le cristal change de forme en oscillant. Ce champ électrique peut être couplé au champ électrique du qubit, et donc l’état de superposition du qubit peut être transféré au cristal.

Oscillations simultanées dans des directions opposées

En conséquence, le cristal peut maintenant osciller dans deux directions en même temps – haut/bas et bas/haut, par exemple. Ces deux directions représentent les états “vivant” ou “mort” du chat. “En superposant les deux états d’oscillation du cristal, nous avons effectivement créé un chat de Schrödinger pesant 16 microgrammes”, explique Chu. C’est à peu près la masse d’un grain de sable fin et loin de celle d’un chat, mais toujours plusieurs milliards de fois plus lourd qu’un atome ou une molécule, ce qui en fait le chat quantique le plus gros à ce jour.

Pour que les états d’oscillation soient de véritables états de chat, il est important qu’ils puissent être distingués macroscopiquement. Cela signifie que la séparation des états “haut” et “bas” doit être supérieure à toute fluctuation thermique ou quantique des positions des atomes à l’intérieur du cristal. Chu et ses collègues ont vérifié cela en mesurant la séparation spatiale des deux états à l’aide du qubit supraconducteur. Même si la séparation mesurée n’était que d’un milliardième de milliardième de mètre – plus petite qu’un atome, en fait – elle était suffisamment grande pour distinguer clairement les états.

Mesurer de petites perturbations avec des états de chat

À l’avenir, Chu aimerait repousser encore plus loin les limites de masse de ses chats de cristal. “C’est intéressant car cela nous permettra de mieux comprendre la raison de la disparition des effets quantiques dans le monde macroscopique des vrais chats”, dit-elle.

Au-delà de cet intérêt plutôt académique, il existe également des applications potentielles dans les technologies quantiques. Par exemple, les informations quantiques stockées dans des qubits pourraient être rendues plus robustes en utilisant des états de chat composés d’un grand nombre d’atomes dans un cristal plutôt que de s’appuyer sur des atomes ou des ions uniques, comme c’est le cas actuellement. De plus, l’extrême sensibilité des objets massifs dans des états de superposition au bruit externe pourrait être exploitée pour des mesures précises de petites perturbations telles que les ondes gravitationnelles ou pour détecter la matière noire.