Les physiciens constatent que chaque mesure effectuée sur un système quantique le perturbe et introduit de l’énergie. Ce phénomène, habituellement perçu comme un obstacle lors des expérimentations, pourrait se transformer en une nouvelle méthode pour produire de l’énergie pour les batteries et les petits moteurs quantiques, selon une étude récente.
Les chercheurs ont mis au point un système de contrôle quantique capable de manipuler la flèche du temps, c’est-à-dire la direction dans laquelle évolue un système quantique. En inversant cette direction de manière contrôlée, l’équipe parvient à transformer l’énergie des mesures en une source d’énergie utile.
« Nous appliquons des champs et des outils de contrôle au système qui peuvent inverser les effets des mesures », explique Luis Pedro García-Pintos, scientifique au Laboratoire National de Los Alamos au Nouveau-Mexique et responsable de la recherche. « Si la mesure devait faire monter mon système, je peux le faire redescendre. En contrebalançant les effets des mesures, nous pouvons générer des trajectoires qui ressemblent davantage à un processus évoluant à l’envers plutôt qu’à l’endroit. »
L’énergie pour ordonner le chaos
Le monde quantique, celui des atomes et des particules subatomiques, suit des lois qui diffèrent de notre perception habituelle. Lorsqu’un système quantique est mesuré, cette mesure introduit une perturbation qui crée un écart entre avant et après, semblable à une pièce de monnaie qui change aléatoirement de face à chaque observation.
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que les systèmes tendent naturellement vers le désordre. Cette tendance au désordre constitue la base de la flèche du temps telle que nous la connaissons. L’étude révèle que le même paramètre qui contrôle la direction du temps régit également celle de l’énergie entre les mesures et le mécanisme de contrôle. Ainsi, manipuler le temps quantique et extraire de l’énergie sont étroitement liés.
Ce que propose l’étude, c’est un outil capable de créer un boucle de contrôle en temps réel. Le système mesure l’état quantique, calcule immédiatement l’écart introduit par cette mesure, puis applique un signal de radiations micro-ondes pour le compenser. En contrant systématiquement ces variations, l’évolution du système commence à ressembler statistiquement à une particule qui, au lieu d’évoluer vers l’avant comme cela est naturel, semble faire marche arrière dans le temps.
Batteries et moteurs quantiques
Dans ce processus de correction, l’énergie qui se serait dissipée sous forme de bruit est capturée et extraite comme énergie utile. L’effet peut même être gradué. La flèche du temps — la facilité à distinguer si un système évolue vers l’avant ou vers l’arrière — peut être ajustée en modifiant un seul paramètre de contrôle, comme un bouton.
À une extrémité, l’évolution vers l’avant est plus accentuée que dans des conditions normales. Au centre, l’ambiguïté est totale et il est impossible de savoir si le temps avance ou recule. Au-delà de ce point, le système tend à ressembler statistiquement davantage à un système rétrograde qu’à un système évolutif. C’est à ce moment précis que l’énergie peut être extraite.
L’une des implications les plus pratiques réside dans le fait que les systèmes quantiques nécessitant une mesure constante, pratiquement tous ceux utilisés en informatique quantique, pourraient transformer cette surveillance en une source d’énergie au lieu d’un coût. Cela est particulièrement pertinent pour les batteries quantiques, mais surtout pour les moteurs quantiques miniatures — des dispositifs analogues aux moteurs thermiques classiques, mais fonctionnant avec des particules et des qubits, où l’efficacité énergétique est essentielle.
Les chercheurs ont identifié trois utilisations potentielles pour ces moteurs quantiques. La première consiste à alimenter d’autres processus au sein du même système quantique, en transformant les mesures en une petite source d’énergie interne. La seconde est de charger des batteries quantiques, capables d’accumuler cette énergie à l’échelle quantique pour une utilisation ultérieure. La troisième, peut-être la plus immédiate, concerne la préparation des états quantiques.
L’équipe de Los Alamos travaille déjà sur des applications où ce mécanisme permet de placer un qubit — l’unité de base d’information d’un ordinateur quantique — exactement dans l’état requis pour un calcul, un processus actuellement très énergivore. Un moteur doté de cette technologie pourrait recycler cette énergie perdue, rendant ainsi les puces d’ordinateurs quantiques plus efficaces.
Points à retenir
- Les perturbations dues aux mesures quantiques sont une opportunité d’extraction d’énergie.
- La manipulation de la flèche du temps pourrait transformer notre compréhension de l’énergie dans les systèmes quantiques.
- Trois applications potentielles ont été identifiées pour les moteurs quantiques.
- L’efficacité énergétique est particulièrement cruciale pour les systèmes en informatique quantique.
- La recherche en cours pourrait révolutionner les capacités des batteries et des moteurs quantiques.
Il est fascinant de constater comment la science continue de repousser les limites de notre compréhension des systèmes quantiques. L’idée de pouvoir contrôler la direction de l’énergie dans le temps ouvre de nombreuses voies de recherche. Cela nous pousse à réfléchir sur les implications à long terme de telles avancées. Une question se pose alors : quel futur nous attend lorsque ces technologies seront pleinement exploitées? L’innovation scientifique est véritablement un voyage sans fin, où chaque découverte nous rapproche d’un nouvel horizon. Je suis passionné par cette dynamique et impatient d’assister aux prochaines révélations qui façonneront notre avenir dans le domaine de la physique quantique.