Extraire de l'énergie de la mesure quantique

Publié par Adrien le 06/07/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
Le postulat de la mesure en physique quantique est sans appel: observer un système le perturbe. Des physiciennes et des physiciens ont analysé théoriquement les conséquences énergétiques de ce mécanisme fondamental et conçu des moteurs d'un nouveau type, nourris par la source d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) qu'est la mesure. Cette empreinte énergétique du postulat de la mesure complète le point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) standard, selon lequel mesurer coûte de l'énergie. A l'aide de trois pigments manipulés par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir...), des chercheurs et des chercheuses étudient les transferts d'énergie entre molécules en imitant la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...) des végétaux.


Schéma du moteur à deux qubits couplés. Une impulsion rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) excite le qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique...) rouge. L'excitation se délocalise sous l'effet du couplage, générant un état intriqué entre les deux qubits. Un démon mesurant le qubit bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) a donc une probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) non nulle de détecter l'excitation dans ce qubit, résultant en un gain net d'énergie. Le démon peut finalement exploiter l'information acquise lors de sa mesure pour extraire l'énergie sous forme de travail, en désexcitant de façon contrôlée le qubit bleu avec une impulsion bleue.
(Crédit: Alexia Auffèves, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Néel).

Comprendre et mesurer l'empreinte énergétique de la mesure quantique est un Graal de la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...) quantique, une discipline émergente à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) entre deux sciences du hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon...): la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...) et la thermodynamique statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....). La mesure quantique a deux facettes, dont l'articulation n'avait jusqu'à présent pas été clarifiée. D'une part, elle permet d'extraire au niveau classique de l'information sur un système quantique. Ce processus est associé à des coûts énergétiques encore mal connus. D'autre part, l'acte de mesure tel que modélisé par le postulat du même nom induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) des fluctuations quantiques qui sont associées à des changements d'énergie et d'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius...) au niveau du système mesuré: la mesure quantique joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle similaire à celui d'une source chaude (Une source chaude est une source dont l'eau sort du sol à une température...) en thermodynamique, étant ainsi potentiellement une ressource énergétique.

Des physiciennes et physiciens de l'Institut Néel (CNRS), en collaboration avec les universités américaines de Rochester et Saint-Louis, ont réconcilié les deux aspects de la mesure en proposant un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) fonctionnant à base d'intrication et de mesure quantiques. La machine se compose de deux qubits (bits quantiques) couplés de fréquences différentes. A l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) initial, le qubit de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) la plus basse, le qubit "rouge", absorbe un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...). Ce photon est ensuite échangé entre les deux qubits, qui deviennent intriqués. Une mesure locale effectuée sur l'un des deux qubits projette avec une certaine probabilité le photon dans le qubit de fréquence la plus haute, le qubit "bleu", générant un gain net d'énergie. Cette énergie ne peut venir que de la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de mesure via un effet sans équivalent classique, à savoir la perturbation induite par l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) d'un système quantique. Elle est convertie en travail en exploitant l'information extraite lors de la mesure, dans un cycle typique d'un démon de Maxwell (Le démon de Maxwell est un personnage imaginé originalement par James Clerk Maxwell pour mettre...) (figure).

Pour la première fois, l'origine microscopique de la source d'énergie est explorée en introduisant un troisième objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) quantique jouant le rôle de l'aiguille de mesure, et en modélisant le processus de mesure comme l'intrication du qubit mesuré avec cette aiguille quantique. L'analyse révèle l'existence d'un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) d'énergie: initialement localisée dans les corrélations quantiques entre les deux qubits, celle-ci migre progressivement vers les corrélations entre les qubits et l'aiguille quantique. Au niveau fondamental, l'énergie de la mesure peut ainsi être interprétée comme le coût d'effacement des corrélations quantiques entre les qubits. Ces résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters.

Cette étude offre une perspective différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) sur le postulat de la mesure, dont le statut au sein de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) quantique ne fait toujours pas l'objet d'un consensus. Les résultats obtenus sont valides en l'absence de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...), la seule source de fluctuations étant la mesure quantique. En ce sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...), ils ouvrent la voie à l'étude des flux d'énergie, d'entropie et d'information à l'intérieur de systèmes quantiques complexes, couplés à des sources de bruit quantique arbitraire. C'est typiquement le cas des processeurs quantiques, pour lequel la compréhension des mécanismes énergétiques fondamentaux sera indispensable à l'optimisation de leur consommation.

NB: Dans le paradoxe dit du démon de Maxwell, un démon exploite l'information acquise sur les états microscopiques d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) pour réaliser un moteur fonctionnant à partir une seule source chaude (moteur dit monotherme), en violation apparente du second principe de la thermodynamique. Ce paradoxe est résolu en invoquant la nature physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'information: la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) du démon doit être réinitialisée avant de relancer un cycle moteur, ce qui nécessite une source froide. L'expérience proposée repose sur un mécanisme similaire, à la différence que la ressource énergétique ne provient pas d'une source chaude, mais de la mesure elle-même, qui fournit en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) énergie et information.

Référence:
Two-qubit engine fueled by entanglement and local measurements.
L. Bresque, P. A. Camati, S. Rogers, K. Murch, A. N. Jordan, A. Auffèves. Physical Review Letters, le 24 mars 2021.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.120605
Article disponible sur la base d'archives ouvertes arXiv.
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