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"L’effet Mpemba, déjà énoncé par Aristote et toujours controversé, pourrait-il accélérer le refroidissement des systèmes quantiques, ouvrant la voie à des applications technologiques fascinantes ? Intrication et superposition" par Jacques Hallard

samedi 2 novembre 2024, par Hallard Jacques


ISIAS Physique Quantique Effet Mpemba

L’effet Mpemba, déjà énoncé par Aristote et toujours controversé, pourrait-il accélérer le refroidissement des systèmes quantiques, ouvrant la voie à des applications technologiques fascinantes ? Intrication et superposition

Jacques Hallard , Ingénieur CNAM, site ISIAS – 29/1
0/2024

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Crédit : Podcast Science - Source

Plan du document : Préambule Introduction Sommaire Auteur

Préambule - Quelques informations préalables pour entrer dans le sujet

L’effet Mpemba quantique. La version quantique du phénomène totalement contre-intuitif que l’adolescent tanzanien a redécouvert par hasard en 1963 lors d’un cours de cuisine : un liquide chaud peut dans certaines conditions geler plus vite qu’un liquide froid !

Rappel - Aristote (-384 ; -322) est un personnage immense qu’on ne peut évoquer en quelques lignes. Retenons qu’il a été le disciple de Platon à l’Académie et le précepteur d’Alexandre le Grand. Avoir eu un tel maître et un tel élève indique assez sa position dans la société de son temps. Il expose ses idées sur les propriétés de la matière dans son traité ’de la Génération et de la corruption’. Nous retiendrons, de la longue réflexion qui introduit ce texte, l’affirmation que dans le monde réel ’la génération de tout objet particulier équivaut à la destruction de tel autre, et réciproquement’. Une affirmation qui annonce à nouveau le ’tout de transforme’ attribué à Lavoisier. Et aussi …Les quatre éléments aux quatre qualités… - Source – Voir aussi Wikipédia…

Intrication – Comment l’intrication quantique aide-t-elle l’informatique quantique ? - En informatique quantique, l’intrication est utilisée pour permettre le parallélisme quantique, qui est la capacité des ordinateurs quantiques à effectuer plusieurs calculs simultanément.

En mécanique quantique, l’intrication quantique, ou enchevêtrement quantique, est un phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) forment un système lié et présentent des états quantiques dépendant l’un de l’autre quelle que soit la distance qui les sépare.

Qui a découvert l’intrication quantique ? - On s’accorde à dire que ce sont Erwin Schrödinger et Albert Einstein qui ont découvert au milieu des années 1930 le phénomène d’intrication dans les équations de la théorie quantique dont ils étaient parmi les plus importants pères fondateurs.

Intrication quantique : des chercheurs observent le phénomène à des niveaux d’énergie inédits - Frederic L. - 23 septembre 2024 • 18:30 – Source : https://kulturegeek.fr/news-317404/intrication-quantique-chercheurs-observent-phenomene-niveaux-denergie-inedits

Paire de Quarks Top intriqués

Pédagogie vivante - Conférence Intrication Quantique – Vidéo 57:24 - Faculté des Sciences de Montpellier - 18 octobre 2023

ANAÏS DRÉAU, CHERCHEUSE CNRS, LABORATOIRE CHARLES COULOMB (Université de Montpellier & CNRS) - Depuis le débat entre Einstein et Bohr, jusqu’au prix Nobel d’Alain Aspect en 2022, venez explorer l’étrangeté du monde quantique avec Anaïs Dréau, chercheuse CNRS au Laboratoire Charles Coulomb de Montpellier.

Pourquoi le phénomène d’intrication quantique choque-t-il notre sens commun ? Quelles expériences ont permis de le mettre en évidence ? Pouvons-nous l’utiliser pour développer de nouvelles applications ? Voici quelques-unes des questions qui seront abordées lors de cette présentation grand public.

https://yt3.ggpht.com/DOszKdpJCGM6kQN7nv1kLbeZvWWAesYUKne2ob10IAWcxW0btLULjxI_Sh0jcBNtL2y9OKIK=s88-c-k-c0x00ffffff-no-rjFaculté des Sciences de Montpellier

Source : https://www.youtube.com/watch?v=4l6qtnTb_-Y

Qu’est-ce que la superposition et l’intrication quantiques ? - L’intrication est la capacité d’une particule quantique à associer les résultats de ses calculs entre eux. La superposition inclut l’incertitude liée au fait qu’une particule se trouve dans plusieurs états. En informatique quantique, la superposition est décrite comme la capacité d’une particule quantique à être la combinaison de tous les états possibles.

Superposition quantique

La superposition quantique est une caractéristique fondamentale - mais parfaitement contre-intuitive pour l’esprit humain - des particules plus petites que l’atome qui fait qu’elles peuvent être simultanément dans différents états.

Quel est le concept de superposition quantique ? - Principe selon lequel l’état d’un système quantique peut correspondre à une combinaison linéaire d’états ayant une certaine probabilité d’être observés lors d’une mesure.

Qu’est-ce que l’informatique quantique par superposition ? - La superposition est un concept fondamental de la mécanique quantique, décrivant la condition dans laquelle un système quantique peut exister dans plusieurs états ou configurations simultanément. Les bits classiques peuvent exister dans deux états possibles, généralement étiquetés « 0 » et « 1 ».

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Introduction {{}}

Ce dossier expose l’histoire de l’effet Mpemba en physique et ouvre la voie à une meilleure compréhension de ce phénomène qui est exploré avec des technologies disponibles de nos jours…

La découverte d’un effet Mpemba quantique avec une multitude d’implications, permet d’entrevoir des applications nouvelles en informatique quantique notamment…

Une vue rétrospective des contributions scientifiques au cours de l’année 2022 – due à Elsa Couderc – décrit les récentes connaissances acquises « dans la course à l’ordinateur et aux communications quantiques », et ce dossier se termine avec la reprise d’une courte émission diffusée par ‘radiofrance.fr’ qui porte sur « les ordinateurs du futur » …

Les articles sélectionnés pour ce dossier sont mentionnés avec leurs accès dans le sommaire ci-après

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Sommaire

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  • L’ effet Mpemba d’après Wikipédia{{}}
    L’effet Mpemba est une constatation empirique selon laquelle l’eau chaude gèlerait note 1 plus vite que l’eau froide dans des conditions de refroidissement similaires.

Cet effet est aussi parfois nommé « paradoxe Mpemba » car l’eau doit obligatoirement repasser par une température inférieure en refroidissant, et prendre a priori plus de temps à refroidir qu’à une température plus basse. Ce phénomène n’est pas systématique et n’apparaît que sous certaines conditions.

Supposément connu depuis l’Antiquité, cet effet a été redécouvert en 1963 par un élève tanzanien, Erasto Mpemba, et diffusé dans la communauté scientifique à partir de cette date1.

Histoire{{}}

Origines revendiquées{{}}

L’effet aurait été connu de savants de l’Antiquité, tel Aristote2. Celui-ci décrit un effet similaire et l’attribue à l’antiperistasis, qu’il définit comme « l’amélioration d’une qualité due à un entourage de qualité opposée ». Aristote, cependant, utilisait ce terme d’une façon assez générale, pour expliquer par exemple la température constante du corps humain, phénomène qui sera expliqué bien plus tard et qui prouvera la fausseté des théories du savant grec.

À l’époque moderne, dès la Renaissance, ce phénomène apparaît dans les textes scientifiques comme ceux écrits par Francis Bacon3 et René Descartes4. Toutefois, aucun d’entre eux ne le décrivit clairement et seuls des rapprochements furent faits5.

L’observation de Mpemba{{}}

Erasto Mpembanote 2 était encore élève du secondaire lorsqu’il observa, durant des cours de cuisine, que son lait chaud, mis au congélateur, se transformait plus rapidement en crème glacée que la même préparation déjà froide. Aidé du Dr Denis Osborne (en), alors professeur de physique à Dar es Salam, il publia les données des expériences menées sur le sujet en 19696 ; l’article fut republié en 19791,7.

Contestations de l’existence du phénomène{{}}

Une étude de 2016 aboutit à la conclusion que, dans un contexte rigoureux avec un protocole strict, l’existence même de l’effet Mpemba n’est pas démontrée8. Mais des voix9 se sont élevées pour expliquer que la définition retenue dans cette étude de l’effet Mpemba n’est pas la bonne car elle ne s’intéresse pas à la transformation en glace, seulement à la baisse de température jusqu’à 0 °C, ce qui est très différent (l’eau ne gèle pas instantanément à 0 °C).

En septembre 2020, une étude de l’université de Cambridge10 souligne les conditions très particulières qui peuvent amener à envisager ce phénomène : celui-ci pourrait s’expliquer non par le fait que l’eau chaude gèle en effet plus vite que l’eau froide parce qu’elle est justement chaude, mais par exemple par les récipients utilisés pour l’expérience. De plus, un certain flou semble exister sur les méthodes scientifiques et les conditions initiales des expériences menées (qualité de l’eau utilisée mal définie, températures initiales fluctuantes…)11.

Description des observations{{}}

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/de/Effet_Mpemba_-_Decroissance_exponentielle.png/370px-Effet_Mpemba_-_Decroissance_exponentielle.png

Décroissance de la température de l’eau avec une température initiale 35 °C (rouge) et 25 °C (bleu) jusqu’au gel. L’eau à 35 °C gèle en 40 min, et l’eau à 25 °C gèle en 50 minx 1.

Des expériences menées depuis la fin du XXe siècle12 ont permis d’observer que de l’eau chaude pouvait refroidir plus rapidement que de l’eau froide. Cet effet n’est pas « universel » (systématique) : seules des conditions précises permettent de l’observer, sans que l’on comprenne exactement pourquoi13. Actuellement [Quand ?], toutes les expériences connues qui ont permis d’observer ce phénomène ont été réalisées avec les conditions d’expérience suivantes :

  • milieu extérieur : convection naturelle d’air contrôlée en température (réfrigérateur) ;
  • surface libre permettant un échange de matière entre l’eau et l’air (possibilité d’évaporation et ou de dissolution de gaz) ;
  • pas d’agitation mécanique de l’eau.
    Parmi les conditions qui peuvent influer sur l’apparition de cet effet, on trouve x 2 :
  • la présence de gaz dissous ou d’impuretés dans l’eau ;
  • la taille, la forme ou le matériau du récipient ;
  • la condition de réfrigération (température imposée, flux imposé, etc.) ;
  • l’agitation ou non de l’eau.
    Les caractéristiques de l’effet sont, selon Xi, Zengsheng, Chang et al., les suivantesx 3 :
  • l’eau chaude refroidit plus rapidement que l’eau froide, toutes choses étant égales par ailleurs ;
  • l’évolution de la température de l’eau s’approche fortement d’une décroissance exponentielle, à un taux dépendant de la température initiale ;
  • le temps de refroidissement jusqu’au gel dépend, pour une même masse d’eau de même température initiale, des conditions expérimentales (surface d’exposition, volume, etc.) ;
  • la surface de l’eau est plus chaude que l’eau au fond d’un bécher lors du processus de refroidissement. Cela s’explique, selon Xi, Zengsheng, Chang et al. par une capacité thermique plus forte de la surface, due à des liaisons covalentes H-O plus courtes et plus fortes.
    Explications{{}}

Il n’y a pas encore au début du XXIe siècle d’explication claire et unanimement validée par la communauté scientifique. L’effet Mpemba serait lié à une somme entre différents effets, comme :

  • l’évaporation (moins de liquide à refroidir, mais le phénomène subsisterait en milieu clos14) ;
  • la présence moindre des gaz dissous dans un liquide chaud ;
  • le phénomène de convection qui accélère les transferts thermiques ;
  • les effets environnementaux tels que l’isolation due au givre ;
  • un effet de surfusion ;
  • l’effet d’éventuels solutés, notamment le calcium et le carbonate de magnésium, qui vont abaisser la température de fusion ;
  • la définition ambiguë d’eau « gelée » : est-ce une eau à 0 °C ou une eau à l’état solide ;
  • la détermination de la température : parle-t-on de température locale (si oui, où ?) ou de température moyenne.
    En 2012, Erasto Mpemba a nommé le doctorant croate en chimie Nikola Bregović15 comme étant le vainqueur au concours de la Royal Society of Chemistry. Selon Nikola Bregović, qui a observé l’effet et discute des possibles causes, les raisons logiques de l’effet Mpemba sont la convection et la surfusion ; il a admis tout de même que le mystère n’est pas pour autant résolu.

En octobre 2013, trois chercheurs chinois (Xi Zhang, Yongli Huang, Zengsheng Ma et Chang Q Sun) proposent une explication de l’effet Mpemba16, sans que cette explication n’ait encore été validée par la communauté scientifique. Selon ces chercheurs, l’effet est dû à la liaison covalente H-O de l’eau, qui stocke de l’énergie quand l’eau est préalablement réchauffée, en devenant plus courte et plus forte, tandis que la liaison hydrogène O:H, formée par le doublet non liant de l’oxygène avec un H d’une autre molécule d’eau, s’allonge et perd de l’énergie note 3. Lors du refroidissement, l’énergie stockée est restituée à un rythme d’autant plus grand que la liaison covalente est courte. La décroissance exponentielle de la température de l’eau peut être prédite et calculée selon ce modèlex 4.

On ne sait pas si cet effet est propre à l’eau ou s’il est universel - l’expérience de Mpemba avec les crèmes glacées (mélange constitué majoritairement d’eau) semble attester d’un phénomène assez général, mais les expériences en laboratoire n’ont été menées qu’avec de l’eau distillée.

Source de l’article complet avec Notes et références : https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Mpemba

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  • La recette des glaçons : l’effet Mpemba, ou quand l’eau chaude gèle plus vite que l’eau froide - Par Sylvie Redon-Clauzard le 28.09.2020 à 19h00, mis à jour le 25.12.2020 à 09h50 – Document ‘sciencesetavenir.fr’
    L’eau chaude gèle plus vite que l’eau froide, énonce étonnamment l’effet Mpemba. Comment l’expliquer ? 50 ans que les scientifiques s’y emploient, et deux nouvelles publications consacrée à ce mystère de la chimie sont encore sorties à l’été 2020.

Glaçons

Derrière la formation des glaçons, il y a l’effet Mpemba. Eh oui... - Crédit JEAN-PIERRE MULLER / AFP

Pour faire des glaçons en mode express, le bon sens conseille de remplir le bac avec de l’eau la plus froide possible. Mais le bon sens ne connaît pas ’l’effet Mpemba’ ! Aussi désigné sous le nom de paradoxe Mpemba, il énonce que ’l’eau chaude gèle plus vite que l’eau froide’ ! Affirmation surprenante... même pour les chimistes et physiciens qui en débattent depuis 1969, date du premier article sur le sujet. Elle a encore fait, à l’été 2020, l’objet de deux publications, l’une arguant que cet effet n’existe pas vraiment, l’autre, parue dans la prestigieuse revue Nature, montrant qu’il n’est pas réservé à l’eau, et pourrait être fréquent pour des systèmes refroidis brutalement.

L’effet Mpemba, une découverte faite par gourmandise{{}}

Déjà pointée par Aristote, cette bizarrerie est restée ignorée de la science moderne, jusqu’à ce qu’en 1963 un lycéen tanzanien, Erasto Mpemba, la constate... par gourmandise ! Comme il le raconte dans l’article scientifique dont il sera cosignataire six ans plus tard, les élèves avaient l’habitude de se préparer de la crème glacée dans le congélateur du lycée. Leur recette ? Faire bouillir du lait en ajoutant du sucre, ramener à température ambiante, et au congélateur. Le plus dur étant d’y trouver une place. Un jour, voyant qu’un de ses camarades, pour le devancer, a fait l’impasse sur l’ébullition, Mpemba, décide de mettre sa propre préparation, encore brûlante au congélateur. Une heure et demie plus tard, la crème de Mpemba a gelé, celle de son camarade non. Comment est-ce possible ? Il questionne ses professeurs de physique qui lui répondent que ça ne l’est pas ! Seul Denis Osborne, professeur à l’Université de Dar Es Salaam le prendra au sérieux. Il en découlel’article de 1969, dans lequel le physicien décrit ses propres expériences qui confortent l’existence de ce qui sera par la suite baptisé ’effet Mpemba’.

Bizarrement, 50 ans plus tard, le phénomène, n’a toujours pas d’explication définitive. Les plus sceptiques y voient juste un biais d’expérience : par exemple, le bécher d’eau chaude dégivrerait le congélateur localement, rendant la réfrigération à cet endroit plus efficace. En ce mois de septembre 2020, Henry Burridge de l’Université de Cambridge, publie dans Proceedings of the royal society A qu’il n’observe d’effet Mpemba que si le récipient accueillant l’eau chaude a des parois internes plus rugueuses qui facilitent le début d’organisation des molécules d’eau en cristaux, étape clé de la congélation.

Même ceux qui ne réfutent pas l’existence de cet effet se heurtent à son coté capricieux et son énoncé trop flou. Car, dans ’l’eau chaude gèle plus vite que l’eau froide’, de quelle eau parle-t-on ? Du robinet, eau distillée, bouillie ? Doit-on comparer des eaux à 90° et 35°, ou à 35° et 25° ? Et considère-t-on qu’elles gèlent dès que se forme un peu de glace, ou lors de la prise en masse complète ?

Résultat : chacun y va de ses conditions d’expériences et il en ressort une cacophonie de résultats et d’hypothèses.

De la liaison hydrogène à la surfusion, les suspects de l’effet Mpemba{{}}

La convection a été l’une des plus souvent avancée. En effet, comme l’eau en surface se refroidit d’abord, elle devient plus dense, coule, et est remplacée par de l’eau venue d’en dessous, à son tour refroidie. Ils se créent ainsi des courants de convections qui accélèrent le refroidissement global. Or ils seraient d’autant plus vigoureux que l’eau était chaude au départ. Est-ce que cela suffit à provoquer l’effet Mpemba ? Difficile à dire. En 2014 Chang Sun de l’Université de Singapour incriminait quant à lui ’la liaison hydrogène’, cette liaison qui se forme et se défait sans cesse entre les molécules d’eau et assure la cohésion du liquide. Elle est la plus forte des liaisons faibles, et confère à l’eau nombre de ses propriétés exceptionnelles. Selon le chercheur, elle permettrait aussi à la molécule d’eau de stocker de l’énergie de façon atypique quand elle est chauffée... Et la relâcher brutalement ensuite, provoquant un refroidissement accéléré.

Beaucoup d’autres hypothèses se focalisent sur le moment de la congélation, celui où les molécules d’eau s’organisent en une structure bien rangée. Comment avoir été chauffée, pourrait-il changer le comportement de l’eau au moment de geler ? Le physicien Jonathan Katz, de l’Université Washington à Saint-Louis rappelle que chauffer de l’eau du robinet en chasse le calcaire (d’où le film blanc dans la bouilloire après chaque utilisation). L’eau non chauffée resterait donc plus riche en minéraux dissous, et à l’instar de la pluie qui tombe sur une route salée, serait plus difficile à congeler.

D’autres chercheurs misent davantage sur la surfusion, cette capacité de l’eau, même pure, à descendre très, très lentement plusieurs degrés en dessous de 0° sans se solidifier. Elle est alors dans un état dit « métastable » : une poussière qui tombe ou un choc et elle cristallise brutalement. La surfusion est imprévisible. Elle est néanmoins favorisée par la présence de gaz dissous, et un grand calme. Ainsi l’eau initialement chaude, parce qu’elle est davantage agitée de courants de convection, mais aussi parce que le chauffage en a chassé les gaz dissous, n’entrerait pas en surfusion contrairement à l’eau froide. Et pourrait ainsi geler en premier.

’A notre avis l’effet Mpemba nécessite des transferts de chaleur rapides’{{}}

Comme si l’affaire n’était pas déjà assez compliquée, ces dernières années des effets Mpemba a été repérés lors de cristallisation de polymères, de la solidification d’alliages magnétiques, ou encore dans des colloïdes... Le récent article publié dans Nature par John Bechhoefer et Avinash Kumar, de l’Université Simon Fraser au Canada démontre qu’il peut s’observer même dans un système très simple, ne subissant même pas de transition liquide à solide. Ces physiciens ont fait subir un refroidissement très brutal - une ’trempe’ comme disent les forgerons et autres métallurgistes - à de microscopiques billes de verre qui par un artifice de manipulation ne pouvaient même pas interagir entre elles. En même temps ils les ont soumis à « un paysage énergétique », qui contraint la façon dont elles perdent leur énergie, pour atteindre la température du bain froid. Le « paysage » est conçu pour leur offrir la possibilité de passer, ou pas, par un état métastable qui les piège un temps, un peu comme le fait la surfusion dans le cas de l’eau. Suivant « le paysage » l’effet Mpemba était bien au rendez-vous.

’A notre avis l’effet Mpemba nécessite une trempe, donc des transferts de chaleur rapides, afin que le système soit loin de l’équilibre lors de son refroidissement’ prévient John Bechhoefer. Comprenez par là qu’il est tellement inhomogène et changeant, que lui attribuer une température n’a pas de sens du point de vue de la physique. ’Le système doit alors être décrit par un grand ensemble de paramètres au lieu d’une température unique. Du coup il y a de nombreux « chemins » possibles pour relier de manière abstraite les états de début, (juste avant la trempe) et de fin (au retour à l’équilibre, à la température du bain) ; et ces chemins peuvent être parcourus en différents laps de temps’. En clair, la physique hors équilibre autorise les raccourcis sur la route du refroidissement alors que si les échanges de chaleur sont très lents, il n’y a qu’un seul chemin, sur lequel les billes tièdes ont moins de trajet à parcourir que les billes chaudes. ’C’est parce que nos intuitions sont plus proches de ce cas « quasistatique » que les effets Mpemba nous semblent paradoxaux’, poursuit le physicien. Qu’en conclure pour le cas de l’eau ? Même si cette expérience suggère que la surfusion pourrait jouer un rôle important, John Bechhofer reste prudent car les mécanismes à l’oeuvre dans l’eau sont vraiment complexes. Allez, avouez, jamais vous n’auriez cru qu’il y avait tant de physique dans la recette des glaçons. Que ça ne vous empêche pas de trinquer !

Merci pour leur aide à Raphaël Chétrite, du laboratoire J.-A. Dieudonné (CNRS/Université Côte d’Azur), et à Kirsten Martens du laboratoire interdisciplinaire de Physique (Université de Grenoble Alpes).

Chimie Eau - Retrouvez ce sujet dans l’émission de France Culture ’La méthode scientifique’, vendredi 25 décembre 2020 à 16h, avec Olivier Lascar, rédacteur en chef du pôle digital de Sciences et Avenir.

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Source : https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/materiaux/la-recette-des-glacons-l-effet-mpemba-ou-quand-l-eau-chaude-gele-plus-vite-que-l-eau-froide_147696

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  • Le brise-glace d’Aristote : comment les systèmes quantiques défient la logique glaciale - 2023 - Diffusé par ‘issues.fr’{{}}

    Thermal Quantum Physics Concept

Les chercheurs ont étudié l’effet Mpemba dans les systèmes quantiques, un phénomène dans lequel l’eau plus chaude peut geler plus rapidement que l’eau plus froide. Cet effet quantique Mpemba conserve la mémoire de ses conditions initiales, affectant ultérieurement sa relaxation thermique. L’équipe a utilisé deux systèmes avec des points quantiques et a découvert l’effet quantique thermique Mpemba dans diverses conditions, suggérant de possibles applications plus larges au-delà de l’analyse thermique.

Sommaire  :

  • Les systèmes quantiques plus chauds peuvent refroidir plus rapidement que leurs équivalents initialement plus froids.
  • Qu’est-ce que l’effet Mpemba ?
  • Résultats récents
  • Atteindre l’effet quantique Mpemba
    Les systèmes quantiques plus chauds peuvent refroidir plus rapidement que leurs équivalents initialement plus froids.{{}}

L’eau chaude gèle-t-elle plus vite que l’eau froide ? Aristote a peut-être été le premier à aborder cette question qui deviendra plus tard connue sous le nom de Effet Mpemba.

Ce phénomène faisait initialement référence au dépendance non monotone à la température initiale du moment de début du gel, mais il a été observé dans divers systèmes – y compris les colloïdes – et est également connu comme un mystérieux phénomène de relaxation qui dépend des conditions initiales.

Cependant, très peu d’entre eux ont déjà étudié cet effet dans les systèmes quantiques.

Qu’est-ce que l’effet Mpemba ?{{}}

L’effet Mpemba est un phénomène contre-intuitif dans lequel l’eau chaude peut geler plus rapidement que l’eau froide dans certaines conditions. Nommé d’après Erasto Mpemba, un étudiant tanzanien qui a observé cet effet dans les années 1960 et l’a ensuite porté à l’attention de la communauté scientifique, le phénomène est un sujet de curiosité depuis des siècles, avec des références remontant à Aristote. La cause exacte de l’effet Mpemba fait encore l’objet de débats parmi les scientifiques.

Résultats récents{{}}

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’Université de Kyoto et de l’Université d’agriculture et de technologie de Tokyo a montré que l’effet Mpemba quantique de température peut être réalisé dans un large éventail de conditions initiales.

« L’effet quantique Mpemba porte le souvenir de conditions initiales qui entraînent une relaxation thermique anormale à des moments ultérieurs », explique Hisao Hayakawa, chef de projet et co-auteur de l’Institut Yukawa de physique théorique de KyotoU.

Effet Mpemba quantique thermique

Deux systèmes avec des points quantiques connectés à un bain thermique, l’un avec un courant circulant et l’autre dans un état d’équilibre. L’évolution temporelle vers un état stationnaire a été suivie pour chacun. Crédit : KyotoU/Hisao Hayakawa{{}}

L’équipe de Hayakawa a préparé deux systèmes avec des points quantiques connectés à un bain thermique, l’un avec un courant circulant et l’autre dans un état d’équilibre. Les deux ont été trempés jusqu’à un état d’équilibre à basse température, permettant à l’équipe de suivre leur évolution temporelle vers un état stable concernant la matrice de densité, l’énergie, l’entropie et, plus important encore, la température.

Atteindre l’effet quantique Mpemba{{}}

« Lorsque les deux copies se sont croisées avant d’atteindre le même état d’équilibre – de sorte que la partie la plus chaude devenait plus froide et vice versa dans une inversion d’identité – nous savions que nous avions atteint l’effet Mpemba quantique thermique », explique le co-auteur Satoshi Takada de TUAT. .

« Après avoir analysé équation maîtresse quantique« , nous avons également découvert que nous avions obtenu l’effet quantique thermique Mpemba dans un large éventail de paramètres, y compris les températures des réservoirs et les potentiels chimiques », ajoute le premier auteur correspondant, Amit Kumar Chatterjee, également de KyotoU.

« Nos résultats nous encouragent à explorer l’utilisation potentielle de l’effet quantique Mpemba dans de futures applications au-delà des analyses thermiques », reflète Hayakawa.

Source : https://issues.fr/le-brise-glace-daristote-comment-les-systemes-quantiques-defient-la-logique-glaciale/

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  • Démystification quantique : l’équipe de Goold explore l’effet Mpemba pour des révolutions technologiques - Par Jean Rivière - 15 octobre 2024 à 19:09 dans Science – Diffusé par ‘newsworld.app/fr’
    Une récente étude scientifique a confirmé l’effet Mpemba quantique, ouvrant la voie à de nombreuses applications fascinantes.{{}}

Des particules quantiques entourées de spirales bleues glacées.

Paris - Des chercheurs du ‘Trinity College’ de Dublin ont découvert l’effet Mpemba dans les systèmes quantiques, apportant une nouvelle compréhension en thermodynamique et en physique quantique. Cet effet, initialement observé dans les systèmes classiques, montre que l’eau chaude peut geler plus rapidement que l’eau froide.

L’équipe de recherche, dirigée par le Professeur John Goold, a établi un lien entre ces vieilles observations et la science moderne, ce qui pourrait avoir un impact majeur sur le développement des technologies quantiques.

Des scientifiques ont découvert l’effet Mpemba quantique en étudiant de près les dynamiques quantiques. Ils ont élaboré une méthode pour comprendre ce phénomène étonnant. Ces découvertes pourraient être cruciales pour améliorer les technologies quantiques, qui nécessitent un contrôle précis de la température et de l’efficacité.

La découverte de l’effet Mpemba quantique pourrait offrir de nouvelles perspectives en physique et améliorer notre compréhension des systèmes complexes. Cela pourrait également influencer le développement des technologies basées sur la mécanique quantique.

  • Techniques de refroidissement avancées  : Accélérer le refroidissement dans les systèmes quantiques pourrait améliorer les performances en informatique quantique, ainsi que dans d’autres technologies.
  • Efficacité énergétique accrue : Comprendre les flux thermiques et réduire la dissipation peut conduire à une utilisation plus efficace de l’énergie dans les technologies émergentes.
  • Nouveaux modèles thermodynamiques : La recherche ouvre la voie à des approches novatrices en thermodynamique hors équilibre.
    L’équipe du Professeur Goold a mis au point une méthode géométrique pour étudier l’effet Mpemba. Cette approche novatrice permet d’explorer différentes manifestations de l’effet à diverses échelles, potentiellement révélant des aspects jusqu’alors inconnus. Maîtriser les systèmes quantiques pour un refroidissement plus rapide pourrait avoir des applications pratiques dans le développement technologique.

L’effet Mpemba quantique offre un moyen plus direct et contrôlé d’étude par rapport à l’effet Mpemba classique, souvent sujet à débat. Cette meilleure compréhension pourrait transformer la manière dont les systèmes quantiques sont développés, car la gestion de la chaleur dans ces systèmes est cruciale. En optimisant les méthodes d’étude de ces processus, les scientifiques pourraient réaliser des avancées majeures en mécanique quantique et ses applications.

Le groupe de recherche Trinity a réalisé des avancées significatives dans l’étude de la synergie entre la thermodynamique et la physique quantique. Au fur et à mesure de leurs recherches, leurs découvertes pourraient contribuer à la création de systèmes quantiques plus efficaces pour résoudre divers problèmes technologiques.

L’étude est publiée ici : http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.140404 et sa citation officielle - y compris les auteurs et la revue – est : Mattia Moroder, Oisín Culhane, Krissia Zawadzki, John Goold. Thermodynamics of the Quantum Mpemba Effect. Physical Review Letters, 2024 ; 133 (14) DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.140404

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Source : https://www.newsworld.app/fr/unfreezing-the-quantum-world-scientists-discover-mpemba-effect-with-cool-outcomes-20241015

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  • Une équipe de physiciens découvre un effet Mpemba quantique avec une multitude d’implications « fcool » - 10 octobre 2024– Diffusé par ‘shunlongwei.com/fr’ eco, el, ic, lt - Écran LCD, distributeur de module IGBT

    Une équipe de physiciens découvre un effet mpemba quantique avec une multitude d’implications « cool »

L’effet Mpemba quantique authentique dans un système à plusieurs qubits se manifeste à différentes échelles de temps. Crédit : Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.140404

Initialement enquêtés par pure curiosité, les chercheurs ont fait une découverte qui comble le fossé entre les observations d’Aristote il y a deux millénaires et la compréhension moderne, tout en ouvrant la porte à toute une série d’implications « cool » et « rafraîchissantes ».

L’effet Mpemba est surtout connu comme un phénomène déroutant, où l’eau chaude gèle plus vite que l’eau froide. Les observations de cet effet contre-intuitif remontent à Aristote qui, il y a plus de 2,000 XNUMX ans, a noté que les Grecs du Pont exploitaient cet effet dans leurs pratiques de pêche.

L’effet Mpemba a également suscité la curiosité d’autres grands esprits de l’histoire, tels que René Descartes et Francis Bacon. Il continue de faire l’objet de nombreux articles de presse et apparaît régulièrement comme un sujet de curiosité dans divers contextes, comme dans le concours de cuisine MasterChef, où les participants ont essayé de capitaliser sur cet effet pour livrer des délices surgelés plus rapidement que ce qui semble possible dans les défis de desserts.

Et maintenant, nous pouvons dire que cet effet étrange est beaucoup plus omniprésent que ce à quoi nous nous attendions auparavant, car l’équipe Trinity QuSys, dirigée par le professeur John Goold de l’École de physique, vient de publier un article de recherche dans la revue Physical Review LettersL’article décrit leur avancée dans la compréhension de l’effet dans le monde très différent et extrêmement complexe de la physique quantique.

Le professeur Goold a déclaré : « L’effet Mpemba doit son nom à Erasto Mpemba qui, alors qu’il était écolier en 1963, préparait de la glace dans sa classe d’économie domestique en Tanzanie. Mpemba n’a pas attendu que son mélange de glace chaude refroidisse avant de le mettre directement au réfrigérateur et a été, sans surprise, étonné de constater qu’il a gelé avant tous les échantillons plus froids de ses camarades de classe.

« Il a fait remarquer cela à son professeur, qui l’a ridiculisé parce qu’il ne connaissait pas la physique – la loi de refroidissement de Newton, par exemple, nous dit que la vitesse à laquelle un objet se refroidit est proportionnelle à la différence de température entre l’objet et son environnement. Cependant, Mpemba a convaincu un professeur invité – Denis Osoborne de l’Université de Dar es Salaam – de tester ce qu’il avait vu et le duo a publié un article qui prouvait effectivement cet étrange effet. »

Bien que l’effet Mpemba ne soit pas encore entièrement compris – sa présence fait l’objet de vifs débats à l’échelle macroscopique –, il est beaucoup plus apparent à l’échelle microscopique, où les physiciens utilisent la théorie de la mécanique quantique pour décrire la nature.

L’effet quantique Mpemba est récemment devenu un sujet tendance, mais une myriade de questions reste encore en suspens ; par exemple, quel est le lien entre l’effet quantique et l’effet original ? Et pouvons-nous construire un cadre thermodynamique pour mieux comprendre le phénomène ?{{}}

La percée du groupe de recherche QuSys répond à certaines des questions clés.

« Nous sommes des experts de l’interface entre la thermodynamique hors équilibre et la théorie quantique et, à ce titre, nous disposons des outils adéquats pour aborder ces questions », a déclaré le professeur Goold. « Notre travail fournit essentiellement une recette pour générer l’effet Mpemba dans les systèmes quantiques, où une transformation physique qui « réchauffe » efficacement le système quantique peut être effectuée. Cette transformation du système quantique lui permet ensuite paradoxalement de se détendre ou de « refroidir » de manière exponentielle plus rapidement en exploitant des caractéristiques uniques de la dynamique quantique. »

En utilisant la boîte à outils de la thermodynamique quantique hors équilibre, l’équipe a réussi à combler le fossé entre les observations d’Aristote d’il y a deux millénaires et notre compréhension moderne de la mécanique quantique.

Et cela ouvre désormais la porte à de nombreuses questions liées à la recherche et aux applications.

Le professeur Goold a ajouté : « Bien que nous ayons entrepris ce projet par curiosité intellectuelle, il nous a obligés à nous poser plusieurs questions fondamentales sur la relation entre les lois de la thermodynamique qui décrivent le refroidissement et la mécanique quantique, qui décrit la réalité au niveau fondamental. Nous développons actuellement une approche géométrique du problème, qui nous permettra, espérons-le, de comprendre différents types d’effet Mpemba dans le même cadre mathématique. »

« Ce que l’on retrouve dans cet effet Mpemba vraiment « cool », c’est un moyen d’accélérer le refroidissement – ​​et le refroidissement des systèmes quantiques est absolument vital pour les applications des technologies quantiques.

Dans cette optique, je suis sûr que certains des outils que nous développons pour étudier cet effet fondamental seront d’une importance capitale pour comprendre des choses comme les flux de chaleur et comment minimiser la dissipation dans les technologies futures. »

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  • Exploration des effets quantiques de Mpemba – Traduction du 26 octobre 2024 par Jacques Hallad d’un article scientifique d’Ulrich Warring Institut de physique, Université de Fribourg, Fribourg, Allemagne, publié le 1er juillet 2024- Physique 17, 105 sous le titre « Exploring Quantum Mpemba Effects »
    Dans l’effet Mpemba, un liquide chaud gèle plus vite qu’un liquide froid. Trois études portent sur des versions quantiques de cet effet, remettant en question notre compréhension de la thermodynamique quantique.

Figure caption

APS / Carine Caïn

Figure 1 : (En haut à gauche) - Dans des conditions spécifiques, l’eau chaude (courbe rouge) peut geler plus rapidement que l’eau froide (courbe bleue) lorsqu’elle interagit avec un environnement externe. Ce phénomène classique est connu sous le nom d’effet Mpemba. (À droite) Aharony Shapira et ses collègues ont étudié un effet quantique inverse de type Mpemba dans un système quantique ouvert, constitué d’un seul ion piégé froid, interagissant avec un environnement externe chaud [3]. (En bas) Joshi et ses collègues ont étudié un effet quantique de type Mpemba dans des sous-systèmes d’un système quantique fermé, composé de 12 ions piégés en interaction [4].

Enfin, Rylands et ses collègues ont théoriquement étudié les mécanismes microscopiques conduisant à des effets quantiques de type Mpemba dans des systèmes quantiques fermés [5].

Reste à savoir comment établir un lien entre ces phénomènes classiques et quantiques. Dans certaines conditions, l’eau chaude peut geler plus rapidement que l’eau froide. {{}}

Ce phénomène a été nommé effet Mpemba d’après Erasto Mpemba, un lycéen tanzanien qui a décrit l’effet dans les années 1960 [1]. Le phénomène a suscité d’intenses débats pendant plus de deux millénaires et continue de le faire [2].

Des processus similaires, dans lesquels un système se détend plus rapidement à l’équilibre s’il est initialement plus éloigné de l’équilibre, sont intensément explorés dans le monde microscopique. Maintenant, trois équipes de recherche offrent des perspectives distinctes sur les versions quantiques des effets de type Mpemba, en soulignant l’impact de fortes corrélations inter-particulaires, de minuscules fluctuations quantiques et des conditions initiales sur ces processus de relaxation [3-5].

Les résultats des équipes font progresser la thermodynamique quantique et ont des implications potentielles pour les technologies, allant des processeurs d’information aux moteurs, alimentés par des ressources quantiques. Dans les stratégies descendantes, les physiciens utilisent des observations de phénomènes macroscopiques (classiques) pour déduire des processus microscopiques fondamentaux (quantiques) ; dans les stratégies ascendantes, ils utilisent des études de ces processus fondamentaux pour prédire les phénomènes classiques.

Historiquement, les études de l’effet Mpemba ont commencé par des observations empiriques et des hypothèses ad hoc sur le monde microscopique. Malgré les descriptions de l’effet par Aristote et Descartes, et l’attention moderne de Mpemba, le phénomène n’a pas influencé le domaine de la thermodynamique.

L’effet Mpemba est complexe, manque de définition précise et présente des problèmes de reproductibilité. En conséquence, les observations expérimentales et les explications ont été débattues pendant des décennies sans consensus, ce qui fait que l’effet semble souvent n’être qu’une curiosité.

Pour étudier l’effet Mpemba et d’autres processus de relaxation, les physiciens définissent une figure de mérite, telle que la température, pour le système d’intérêt et l’enregistrent en fonction de la durée pendant laquelle le système interagit avec un environnement externe (Fig. 1).

Cette relation quantifie la rapidité avec laquelle le système passe d’un état initial à un état stationnaire, déterminant si le plus rapide des deux chemins vers l’équilibre est celui qui commence le plus loin de l’équilibre. Il y a quelques années, les chercheurs ont fait de grands progrès en observant qu’un système colloïdal peut refroidir exponentiellement plus rapidement s’il démarre à une température plus élevée, en alignement avec des modèles théoriques spécifiques [6].

Ce travail a renforcé la stratégie descendante, amenant ces scientifiques à conclure que l’effet Mpemba n’est pas simplement une curiosité mais un archétype pour un large éventail de phénomènes de relaxation anormaux. Ces remarques ont stimulé d’autres explorations et ont conduit, au cours des dernières années, à deux approches ascendantes pour étudier les versions quantiques des effets de type Mpemba, avec des prédictions théoriques correspondantes basées sur le cadre de la dynamique quantique de non-équilibre. La première et la plus fondamentale approche ascendante prend en compte la dynamique unitaire complète (c’est-à-dire réversible) des systèmes fermés à plusieurs corps. Ici, les propriétés thermodynamiques devraient émerger lors de la mesure des observables de sous-systèmes en raison des fluctuations quantiques et de l’intrication entre les sous-systèmes. Dans ce contexte, à température nulle, un processus de relaxation anormal peut se produire dans lequel une plus grande rupture de symétrie initiale d’un sous-système conduit à une restauration de symétrie plus rapide. Le degré de rupture de symétrie peut être exprimé par une quantité appelée asymétrie d’intrication [7].

La deuxième approche ascendante évite la complexité des descriptions à plusieurs corps en capturant la dynamique efficace des sous-systèmes. Ici, l’ensemble du système est subdivisé en un système ouvert d’intérêt et un environnement spécifique, qui interagissent les uns avec les autres. Pour les dynamiques non markoviennes (celles qui dépendent de l’historique d’un système), l’intrication se manifeste par des effets de mémoire, dans lesquels l’historique de l’ensemble du système influence le comportement dynamique du système ouvert.

Ces conditions fournissent un terrain fertile pour l’émergence d’effets quantiques de type Mpemba. Mais même dans le cas de la dynamique markovienne, dans laquelle ces effets de mémoire sont absents, il est prédit que les conditions initiales du système ouvert ont un impact crucial sur les processus de relaxation et que des effets quantiques de type Mpemba pourraient être observés [8, 9].

Comment les scientifiques peuvent-ils recueillir des preuves empiriques d’un tel comportement quantique ? Les avancées techniques clés ont commencé dans les années 1950 avec le développement d’horloges atomiques de haute précision, conduisant à l’émergence de la plate-forme à ions piégés.

Cette plate-forme ouvre la voie à l’observation des processus fondamentaux en suspendant des ions individuels dans des chambres à ultravide pour réduire les perturbations. Les canaux de communication conçus dans cette plate-forme permettent la préparation, la manipulation et la lecture de l’état.

Aujourd’hui, diverses autres plates-formes expérimentales, telles que les qubits supraconducteurs, les points quantiques et les atomes ultrafroids, sont utilisées pour étudier la dynamique quantique et les comparer aux prédictions théoriques. Par conséquent, des terrains d’essai idéaux pour étudier les effets quantiques de type Mpemba étaient à portée de main pour les trois nouvelles études.

Shahaf Aharony Shapira et ses collègues de l’Institut Weizmann des sciences en Israël ont utilisé l’approche du système ouvert et ont effectué des expériences sur un seul ion piégé, dont le spin froid était couplé à un environnement markovien chaud en équilibre thermique [3]. Cette disposition relativement simple est particulièrement efficace pour afficher la physique fondamentale pertinente pour le traitement de l’information. Les chercheurs ont montré que le spin de l’ion atteignait l’équilibre thermique avec l’environnement plus rapidement lorsque le spin commençait à une température plus basse, un type d’effet quantique inverse de type Mpemba.

En revanche, Lata Joshi de l’Académie autrichienne des sciences et ses collègues ont adopté l’approche unitaire et ont étudié expérimentalement un système quantique fermé constitué d’une chaîne de 12 ions piégés en interaction à une température proche de zéro [4]. En considérant des sous-systèmes particuliers, les chercheurs ont montré que les spins des ions rétablissaient leur symétrie plus rapidement lorsqu’ils étaient initialement plus éloignés de leur état symétrique, un autre type d’effet quantique de type Mpemba. Cette enquête reposait sur des mesures aléatoires et des techniques sophistiquées de sélection des données. Il s’est également appuyé sur la mesure d’intrication-asymétrie susmentionnée [7] et a utilisé une autre mesure pour offrir une preuve plus directe de l’équilibrage du sous-système. Ce travail souligne ainsi l’interaction complexe entre l’intrication, les fluctuations quantiques et l’équilibration.

Enfin, Colin Rylands de l’International School for Advanced Studies (SISSA) en Italie et ses collègues ont théoriquement étudié les mécanismes microscopiques conduisant à des effets quantiques de type Mpemba, montrant comment des processus de relaxation anormaux émergent dans des systèmes quantiques fermés [5]. En examinant l’impact des fluctuations quantiques sur ces processus dans des cas représentatifs, les chercheurs offrent un aperçu des principes régissant les effets quantiques de type Mpemba. Cette analyse comble le fossé entre les observations expérimentales et les prédictions théoriques, fournit une base pour une compréhension intuitive de ces phénomènes et complète d’autres travaux [4, 7].

Dans l’ensemble, ces trois études offrent des perspectives intrigantes sur la thermodynamique quantique et les processus de relaxation.

Au fur et à mesure que ce domaine de recherche progresse, les scientifiques trouveront, espérons-le, des équivalences entre les approches système ouvert et unitaire. D’autres travaux sur diverses plates-formes quantiques sont attendus prochainement, visant à affiner davantage notre compréhension de l’interaction de l’intrication, des fluctuations quantiques, des effets de mémoire, des états initiaux, des choix de sous-systèmes et de l’équilibration. De tels travaux pourraient mettre en place un cadre rigoureux pour la thermodynamique quantique et inspirer des technologies innovantes dans des domaines allant de l’informatique au stockage de l’énergie. Mais quand les physiciens comprendront-ils mieux comment les processus fondamentaux affectent le refroidissement de l’eau chaude dans un réfrigérateur ?

Source avec références : https://physics.aps.org/articles/v17/105

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Pour mieux comprendre l’informatique quantique et la course technologique qui a lieu dans ce domaine, nous vous proposons une série d’articles parus en 2022 — année du prix Nobel de physique attribué pour l’étude et la mise en œuvre expérimentales d’un concept fondamental pour les applications d’aujourd’hui : l’« intrication quantique ».

Côté ordinateur quantique, les articles décrivent la naissance du concept d’ordinateur quantique, les défis scientifiques et technologiques pour en construire un en pratique, et la problématique de sa consommation énergétique.

Côté télécommunications, nous voyons pourquoi les ordinateurs quantiques pourraient rapidement mettre en danger la sécurité des télécommunications, explorons les outils pour améliorer la cybersécurité face à un arsenal quantique et abordons l’idée (encore lointaine) d’un internet quantique sécurisé.

Ordinateur quantique : comment progresse ce chantier titanesque en pratique

photo d’un immeuble très haut avec jeux de lumière

Entre le rêve théorique de l’ordinateur quantique et sa mise en place concrète, il y a un long chemin semé d’embûches… quantiques. alex wong/Unsplash, CC BY

Aymeric Delteil de l’université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines nous donne la recette pour fabriquer un ordinateur quantique. Surprise, il faut plusieurs ingrédients extrêmement délicats à préparer et à manipuler — c’est pour ça qu’un « véritable » ordinateur quantique n’existe pas (encore).

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La quête d’une cybersécurité résistante à l’arsenal quantique

une sphère dans une cage

On peut se protéger des attaques quantiques grâce à des logiciels ou en cryptant nos télécommunications différemment. Salvatore Andrea Santacroce/Unsplash, CC BY

Pour se protéger de futures cyberattaques quantiques, on explore la voie logicielle — avec des programmes plus difficiles à craquer même pour un ordinateur très puissant comme un ordinateur quantique ; mais aussi la voie matérielle — en cryptant les télécommunications grâce aux concepts de la mécanique quantique. Antonio Acín, de l’institut de sciences photoniques en Espagne, explique que ces deux options sont compatibles et apporteraient ensemble une sécurité accrue.

Internet sera-t-il quantique ?

Rayons de lumières rouge et bleu destructurés et hachés

Grâce à l’« intrication », on peut aujourd’hui crypter les communications quantiques sur une centaine de kilomètres. Fabio Ballasina/Unsplash, CC BY

Christophe Couteau de l’université de technologie de Troyes explique pourquoi les communications quantiques sont sécurisées par nature, et pourquoi les mettre en œuvre à l’échelle de la planète reste un objectif très lointain.

Le prix Nobel de physique 2022 pour l’intrication quantique

taches beiges floutées sur fond noir

Deux entités microscopiques peuvent partager des propriétés à distance. « Slow thought » de Howard Duncan, Flickr, CC BY

Nicolas Cerf, de l’université libre de Bruxelles en Belgique, nous explique ce qu’est l’« intrication quantique », un des phénomènes à la base des communications quantique et du calcul avec des ordinateurs quantiques.

Alain Aspect, John F. Clauser et Anton Zeilinger ont obtenu le prix Nobel de physique 2022 pour leurs démonstrations expérimentales de l’intrication quantique et la mise en œuvre de celle-ci.

L’avantage de l’ordinateur quantique est-il à chercher du côté de sa consommation énergétique ?

Des néons bleus reflechis dans des cubes de miroirs

La consommation énergétique des grands ordinateurs est très importante – quid de celle des futurs ordinateurs quantiques ? maximalfocus/Unsplash, CC BY

Marco Fellous-Asiani, de l’université de Varsovie en Pologne, montre que les ordinateurs quantiques pourraient être plus efficaces énergétiquement que leurs équivalents classiques, à temps de travail égal — selon des calculs théoriques.

Une version anglaise de cet article est disponible ici.

Une brève histoire de l’ordinateur quantique

chat flouté devant des 0 et des 1

Du chat de Schrödinger à l’ordinateur quantique, petite plongée dans l’histoire de la physique quantique. local_doctor, Shutterstock, modifié

Titouan Carette de l’Université Paris-Saclay revient pour nous sur l’histoire de cette rencontre entre physiciens et informaticiens, pour mieux comprendre l’ordinateur quantique.

De la cryptographie à l’intelligence artificielle, l’informatique quantique pourrait-elle changer le monde ?

Un bâtiment avec des surstructures en vagues

En accélérant encore nos capacités de calcul, les ordinateurs quantiques pourraient changer la donne pour la cybersécurité et l’intelligence artificielle. Venti Views/Unsplash, CC BY

Razvan Barbulescu de l’Inria explique comment la puissance de calculs de futurs potentiels ordinateurs quantiques pourrait remettre en question la sécurité de nos échanges cryptés, et donc celle de nos vies numériques.

Mots clefs : physique quantique ordinateur quantique dossier algorithmes quantiques informatique quantique « Sciences + »

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  • Quantique - Course au quantique sous le capot des ordinateurs du futur - Mardi 22 octobre 2024 – Enregistrement de 4 minutes - Provenant du podcast Le Reportage de la rédaction - Diffusé par ‘radiofrance.fr’

    Le reportage de la rédaction

Photons, électrons ou ions piégés, la course à l’ordinateur quantique est en plein essor. Mais que se passe-t-il sous le capot de ces ordinateurs du futur, sous lesquels sont mis à l’épreuve les concepts les plus avancés de la physique quantique ? {{}}

Impossible de pénétrer dans les laboratoires de Quandela sans marcher sur des tapis collants. ’C’est vrai que, dans le quantique, on aime pas trop la poussière’, concède Valérian Giesz, co-fondateur de cette start-up qui, depuis 2017, conçoit des ordinateurs quantiques. Dans les laboratoires, les ingénieurs, charlottes de protection sur le crâne et couvre-chaussures bleus aux pieds, conçoivent l’équipement de pointe avec lequel ils manipulent des photons, les particules de lumière qui permettent à leurs ordinateurs quantiques de fonctionner.

Face à Valérian Giesz, l’ordinateur quantique en question ne semble pourtant pas si impressionnant. Cette grosse armoire noire, haute d’1,50 mètre et large de 2 mètres ressemble à n’importe quel rack pour serveurs. Mais ce qui est à l’intérieur est en passe d’offrir des puissances de calcul bien plus puissantes que celles de nos ordinateurs actuels.

’Dans un premier temps, l’ordinateur quantique ne va pas remplacer les ordinateurs classiques’, temporise Valentin Giesz. ’Les ordinateurs quantiques vont être utilisés surtout pour résoudre les problèmes qui sont fondamentalement complexes. Pour les ordinateurs classiques, on parle de complexité exponentielle. Je vais prendre le cas par exemple de l’arrangement de containers dans un port. Où met-on le conteneur A ? En haut ? En Bas ? Ou au milieu ? Il y a plein de combinaisons possibles parce qu’il faut imaginer ça à l’échelle de 100.000 conteneurs. Un ordinateur classique va très vite être limité car le nombre de combinaisons possibles est une factorielle. Un ordinateur quantique, lui, peut évaluer le nombre de combinaisons possibles et trouver la meilleure beaucoup plus rapidement. C’est justement tout l’enjeu de développer des algorithmes quantiques utiles à des fins industrielles’.

Valérian Giesz, l’un des co-fondateurs de Quandela, devant l’ordinateur quantique créé par la start up.

Valérian Giesz, l’un des co-fondateurs de Quandela, devant l’ordinateur quantique créé par la start up. © Radio France - Pierre Ropert

Deux concepts clés : de la superposition quantique...{{}}

Pour résoudre ces problèmes, les ordinateurs quantiques font appel à deux des concepts les plus avancées de la physique quantique, explorés au cours des deux dernières décennies.

’Un ordinateur classique, pour commencer, c’est un ordinateur qui travaille avec des opérations sur des 0 et des 1’, explique Loïc Lanco, professeur à l’université Paris Cité et chercheur en physique quantique, sur l’interaction entre lumière et matière, au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) de Palaiseau. ’On peut imaginer, aussi, que c’est 0 et 1 sont une pièce qui est tournée vers le haut, c’est pile, ou vers le bas, c’est face. Quand on manipule énormément de pièces, elles peuvent être avec un côté pile ou un côté face, en fonction de l’opération que l’on souhaite faire : ça c’est le fonctionnement d’un ordinateur classique. Je parle d’une pièce pour insister qu’elle peut être tournée vers le haut ou vers le bas, qu’elle n’a que deux directions possibles... Et bien l’ordinateur quantique permet de ne pas travailler qu’avec des hauts et des bas. C’est ça le point de départ’.

Dans les locaux du C2N, les chercheurs réalisent des expériences sur les photons, des particules de lumière.

Dans les locaux du C2N, les chercheurs réalisent des expériences sur les photons, des particules de lumière. - Pierre Ropert

Conscient que le concept est difficile à appréhender, Loïc Lanco assure bien volontiers qu’il n’y a pas d’image réellement efficace pour comprendre la physique quantique. ’Dans le langage de la physique quantique, on parle de superposition de 0 et de 1, c’est-à-dire travailler avec des systèmes qui peuvent être à la fois dans un état zéro ou dans un état 1. En termes de pièce, ça voudrait dire une pièce qui est à la fois côté pile ou face - et ça c’est très difficile à comprendre. Alors ce n’est évidemment pas une vraie pièce, ce sont des particules. Ca peut être des particules de matière, des électrons, ça peut être aussi des particules de lumière, que l’on appelle photons. Quand on travaille avec ces particules, on arrive à les mettre dans des états qui sont justement à la fois quelque chose et à la fois autre chose. C’est ce ’à la fois’ qui nous permet de faire des calculs complètement différents. C’est ce qu’on appelle la superposition quantique’.

... à l’intrication quantique{{}}

La superposition est donc l’un des deux processus clé de la physique quantique. Le second est nommé “intrication quantique”. C’est l’idée que plusieurs particules, qu’il s’agisse des photons ou des électrons par exemple, puissent être liées ensemble . Peu importe la distance qui les sépare : si l’on agit sur l’une de ces particules, on agit également sur l’autre… un peu comme si elles communiquaient entre elles. ’L’intrication, c’est quand les propriétés de deux objets sont reliées entre elles’, poursuit Loïc Lanco. ’Reprenons l’exemple des pièces : si j’ai une pièce dans ma main gauche et une dans ma main droite, je peux les tourner comme je veux. Mais si elles sont intriquées, alors ce n’est pas le cas : le fait de regarder avec mes yeux la pièce dans ma main droite pour lui demander si elle est plutôt pile ou face à ce moment là va instantanément influencer le résultat que je vais obtenir dans mon autre main... Un ordinateur quantique qui sera vraiment efficace, c’est un ordinateur qui pourrait permettre d’intriquer, c’est-à-dire de relier entre elles les propriétés de plusieurs objets, plusieurs particules, à distance. Et c’est quelque chose qui se déroule lors que ces objets ont pu être préparés dans un état que l’on appelle un état intriqué de la physique quantique’.

Loïc Lanco, chercheur au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N).

Loïc Lanco, chercheur au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N). © Radio France - Pierre Ropert

Coder des particules avec de l’information{{}}

C’est ce processus, encore bien mystérieux - y compris pour les spécialistes de la physique quantique - qui permet de coder des informations à l’aide de particules. ’Il existe différentes façons de faire pour isoler une particule et pour la faire se comporter de façon quantique, avec la matière ou avec la lumière’, précise encore Loïc Lanco, qui a travaillé avec des photons. C’est grâce à ces particules que les ordinateurs quantiques vont en effet pouvoir coder des informations, nommées bits quantiques (ou qubits) par analogie aux ’bits’ de l’informatique classique.

’Il ne faut pas travailler avec une seule particule de lumière, il faut en émettre plusieurs’, poursuit Loïc Lanco. ’Pendant le temps où ces particules se propagent, on peut les faire passer dans des circuits où elles vont circuler, un peu comme des autoroutes pour particules de lumière. Et ces photons, il y a un moment où on les récupère dans des détecteurs et c’est là qu’on va extraire de l’information. On a réussi à les intriquer, et c’est donc l’état quantique global de l’ensemble de ces photons qui fournit de l’information’.

Du côté de Quandela, qui travaille main dans la main avec le C2N - Valérian Giesz étant lui-même un ancien de ce centre de recherche - c’est cette technologie étonnamment compacte, compte tenu de la puissance de calcul, qui est employée. ’Tout tient dans des racks’, précise le co-fondateur de la start up, face à la large boîte noire qu’est l’ordinateur quantique. ’Si vous voyez l’ordinateur quantique que l’on a livré chez OVH Cloud l’année dernière, c’est une grosse armoire bleue qui est à peine plus grosse qu’un rack de centre de données. Dans ces armoires, on a plusieurs tiroirs, et lorsque l’on va ouvrir ces tiroirs, on va avoir des composants très spéciaux. Chez Quandela, on a un tiroir où on va avoir la source de photons. C’est une technologie qui a été développée au Centre de nanosciences et de nanotechnologies et qui n’a pas besoin d’être refroidie [contrairement aux autres technologies quantiques, ndlr]. Comme l’information reste quand même sous forme de photons, il faut également pouvoir la lire par l’électronique. Et pour ça, on va utiliser des détecteurs très précis, à peu près 1 million de fois plus précis que les détecteurs de nos appareils photos de smartphones’.

Une technologie encore à ses débuts ?{{}}

Si l’ordinateur quantique de Quandela fonctionne à l’aide de photons, en France, les start-up Alice & Bob, Pasqal, C12 ou encore Quobly travaillent sur d’autres technologies à l’aide de matériaux supra-conducteurs, d’atomes, de ions piégés ou encore de silicium. Une compétition largement appuyée par le gouvernement : le ministère des Armées a lancé, en mars dernier, le programme PROQCIMA, dont l’objectif est de suivre les évolutions du quantique en France pour ’disposer de deux prototypes d’ordinateurs quantiques universels de conception française à horizon 2032’.

Car malgré des applications bien concrètes à l’aide des premiers ordinateurs quantiques, le secteur en est encore à ses débuts. ’C’est encore une course technologique dans laquelle on est engagés tous les jours’, assure Valérian Giesz. ’On est sur une première génération d’ordinateurs quantique qu’on appelle des ordinateurs quantiques bruitées. Pourquoi ? Parce qu’aujourd’hui, on ne sait pas encore très bien implémenter des codes de correction d’erreurs comme on en a aujourd’hui dans nos ordinateurs classiques’.

Autre enjeu : parvenir à augmenter le nombre de qubits utilisés. Pour la plupart des entreprises cherchant à créer des ordinateurs quantiques, c’est le principal écueil à surmonter. ’On parle de balbutiements par rapport aux possibilités que l’on espère’, estime de son côté Loïc Lanco. ’Il y a des ordinateurs quantiques qui fonctionnent avec dix particules, d’autres qui fonctionnent avec 100 particules, en choisissant des stratégies différentes. Et c’est extrêmement difficile de monter à 1000, 10 000 ou 100 000 particules. La difficulté est de maîtriser l’intrication de toutes ces particules. Il faudrait à la fois beaucoup de bits quantiques, dans des états qui sont où les particules sont nombreuses et intriquées’.

De plus en plus de qubits{{}}

Pour les chercheurs, l’une des principales difficultés rencontrée est que les particules sont, en règle générale, très sensible à l’environnement extérieur. ’Il faut qu’elles soient totalement isolées de leur environnement tout en étant accessibles’ résume le chercheur du C2N. ’C’est une difficulté et ça le sera encore, que ce soit avec des ordinateurs quantiques à base de lumière ou de matière, pendant les 15 à 20 prochaines années’.

’C’est l’un des enjeux pour l’industrie quantique’, confirme Valérian Giesz. ’On va continuer d’augmenter ce qu’on appelle le nombre de qubits, ce qui est un peu l’équivalent du nombre de transistors et qui donne, en quelque sorte, une idée de la performance. C’est en combinant de plus en plus de qubits et de corrections d’erreurs qu’on va arriver à des ordinateurs de plus en plus puissants et de plus en plus performants, sur lesquels on va pouvoir résoudre des problèmes industriels qui sont aujourd’hui totalement inatteignables’.

L’objectif ? Dépasser rapidement les 50 qubits dits ’logiques’. Aujourd’hui, les plus gros calculateurs au monde n’arrivent pas à simuler une puissance de calcul dépassant les 30 qubits. ’On se rend compte que la limite entre ce qui est classiquement simulable et là où l’on en est actuellement, cela commence à se chevaucher. Une fois qu’on aura des ordinateurs quantiques au-delà de cette limite des 30 qubits, on va rentrer dans une nouvelle phase !’

Parmi les débouchés imaginables : permettre d’optimiser le transport de l’électricité à grande échelle ou bien développer ’une molécule pharmaceutique de bout en bout. C’est impossible sur un ordinateur classique, mais grâce à un ordinateur classique on pourra simuler le comportement d’une nouvelle molécule pour accélérer le développement de médicaments’, prédit Valérian Giesz. Un futur qui n’est plus si loin : à en croire le co-fondateur de Quandela, les ’machines idéales’ seront disponibles avant la fin de la décennie.

Info Sciences et Savoirs Sciences Physique quantique

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À écouter : Internet quantique : c’est pas tout net - La Science, CQFD - 58 min

À écouter : Technologies quantiques : et tout s’accélère Entendez-vous l’éco ? - 58 min

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Source : https://www.radiofrance.fr/franceculture/podcasts/le-reportage-de-la-redaction/course-au-quantique-sous-le-capot-des-ordinateurs-du-futur-4196978

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