Une machine qui tire son énergie de son observation répétée

Le fait d'observer un système quantique modifie son état physique. Connu sous le nom de rétroaction de mesure, cet effet est au cœur de la physique quantique. Il force les chats de Schrödinger à devenir soit morts, soit vivants, encode le résultat des algorithmes quantiques dans des bits quantiques, mais peut également révéler la présence d'espions, une caractéristique susceptible de renforcer la sécurité de protocoles cryptographiques basé sur la mécanique quantique. Une propriété moins connue de la rétroaction de mesure est qu'elle s'accompagne de changements d'énergie et d'entropie, ce qui permet de bâtir une analogie avec la thermodynamique, où cette rétroaction jouerait le rôle de « combustible quantique ».

Ces recherches ont été menées dans les unités CNRS suivantes :

Des scientifiques français, en partenariat avec l’université de Singapour, ont exploité cette analogie pour faire fonctionner un nouveau type de machine quantique, basée sur un bit quantique supraconducteur. Lorsque le « moteur » est mis en marche, le qubit amplifie l'impulsion micro-ondes qui l'alimente, ce qui se traduit par une puissance nette extraite. Pour faire fonctionner ce « moteur », plusieurs défis expérimentaux ont dû être surmontés. Tout d'abord, la puissance fournie par un seul qubit peut être aussi faible que quelques zepto-watts (1 zW=10^-21 W). Deuxièmement, pour qu'une mesure apporte de l'énergie au qubit, la quantité observée ne doit pas être l'énergie du qubit. Les physiciennes et physiciens ont par conséquent mesuré si le qubit se trouve dans une superposition quantique entre l’état fondamental et l’état excité. Enfin, un contrôle par rétroaction a été mis en place, de façon à rendre cyclique le fonctionnement du moteur malgré le caractère aléatoire des résultats de mesure. Le bilan énergétique complet de l’expérience permet par ailleurs de bien comprendre que l’on ne contredit pas le principe de conservation de l’énergie : l’énergie fournie par l’observation de la machine a bien été prélevée sur le réseau électrique pour réaliser la mesure.

Cette expérience fournit ainsi une preuve directe et quantitative de l'empreinte énergétique de la mesure quantique, qui n'est pas seulement un coût, mais aussi une ressource présentant des caractéristiques très inhabituelles, dues au contexte quantique de l’expérience. L'exploration de ces caractéristiques apportera de nouvelles perspectives sur le problème de la mesure, l'une des principales questions ouvertes de longue date en mécanique quantique. Ces travaux sont publiés dans la revue Physical Review Research.