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Une équipe internationale de scientifiques a réussi pour la première fois à créer un nœud quantique. Une avancée majeure pour la création d’ordinateurs quantiques.

Un nœud quantique est composé d’une forme de superfluide de matière quantique appelée le Condensat de Bose-Einstein (BEC) (1).

On peut les comparer à des espèces d’anneaux de fumée plutôt que des nœuds classiques (2).

Depuis des années, les physiciens prédisent qu’il est possible d’avoir des nœuds dans des champs quantiques, mais personne n’avait pu les créer jusqu’à présent selon Mikko Möttönen, le principal auteur d’une  étude qui publie dans « Nature physics », et l’on peut désormais étudier leurs propriétés particulières.

La création des nœuds quantiques ouvre la voie à des progrès dans de nombreux domaines incluant la cosmologie, la fusion nucléaire et les ordinateurs quantiques (3).

Ces nœuds de BEC, appelés Solitons complexes, forment des anneaux ou des boucles de particules roulent vers l’avant à une vitesse constante sans se déformer. L’astuce pour créer les nœuds est de changer son orientation en utilisant des champs magnétiques précis.

Quand les scientifiques ont utilisé le processus, ils ont obtenu des petits nœuds composés d’une série interconnectée de cercles qui ressemble à des anneaux de fumées.

La création du nœud ne prend qu’un centième de seconde.

Selon Möttönen, une fois qu’on a appris à faire le premier nœud, le reste était facile et l’on a pu créer des centaines de nœuds quantiques.

C’est un exploit remarquable ; toutefois,  il faudra du temps avant d’avoir des applications pratiques dans la vie quotidienne.

 

Créer des ordinateurs quantiques

Les chercheurs estiment que les nœuds quantiques permettront de créer des ordinateurs quantiques («3) dans lesquels on peut tresser des qubits dans différents types de nœuds dépendant de la tâche requise.

(1) Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière apparent au niveau macroscopique, formé de bosons (*) identiques (typiquement des atomes se comportant comme des bosons), tel qu'un grand nombre de ces particules, à une température suffisamment basse, occupent un unique état quantique de plus basse énergie (état fondamental) permettant des propriétés spécifiques.

Ce phénomène avait  été prédit en 1925 par Albert Einstein et, en 1938, Pyotr Kapitsa, John Allen et Don Misener découvrirent le caractère superfluide de l'hélium 4, pour des températures inférieures à 2,17 K. Le premier condensat gazeux a été produit en 1995 par Eric Cornell et Carl Wieman, ouvrant la voie à l'étude des gaz atomiques dilués ultrafroids dans le régime quantique et leur offrant le prix Nobel de physique en 2001.

(*)En mécanique quantique, un boson est une particule qui obéit à la statistique de Bose-Einstein. Les bosons forment une des deux classes de particules élémentaires.

(2) Nœuds classiques et quantiques

Un nœud est une courbe simple dans l’espace, ou, plus généralement, dans une variété de dimension trois. Deux nœuds sont considérés comme équivalents si on peut déformer l’un en l’autre. Ainsi, la théorie des nœuds est une branche de la topologie. Mais elle emprunte des techniques d’autres domaines : théorie combinatoire des groupes, algèbre, théorie des représentations, géométrie hyperbolique, physique quantique . . .

(3) Ordinateurs quantiques : Jusqu’ici, les ordinateurs classiques utilisent des transistors électriques pour représenter les chiffres binaires (les « bits ») qui sont la base des ordinateurs (le 1 et le 0).

Ces transistors sont sous ou hors tension, ce qui traduit le 1 ou le 0. Un transistor ne peut avoir qu’un seul état.

Les ordinateurs quantiques seront, quant à eux, capables d’utiliser ce qu’on appelle des «bits quantiques », c'est-à-dire des bits qui peuvent contenir plusieurs états simultanément.

Les bits quantiques devraient permettre d’effectuer de multiples calculs en parallèle, et d’augmenter ainsi considérablement leur puissance de calcul.

Des recherches sur les ordinateurs quantiques sont menées depuis plusieurs années par notamment IBM, Microsoft, Google et la NASA, le Massachusetts Institute of Technology (MIT).

De leur côté, en 2013, des savants russes du laboratoire de l'Université de l’acier et des alliages de Moscou, ont testé et mesuré le bit quantique super conducteur, le qubit, unité principale de la conservation de l'information quantique.

Le bit quantique ou le qubit, est non seulement la plus petite unité de la conservation de l'information dans l'ordinateur quantique, mais le cœur de cette machine du futur.

L'ordinateur quantique, sera capable d’effectuer des calculs 100 fois, ou même 1000 fois plus rapides que les ordinateurs classiques

Le qubit est un nœud très petit en métal, qui devient un superconducteur à basse température, le nœud ne dépasse pas 10-20 microns.

Pour que le qubit devienne un vrai génie de la mathématique, il faut le mettre dans l'état de travail quantique  en le refroidissant jusqu'à la température proche du zéro absolu, soit presque - 273 degrés Celsius, et le placer dans un faible champ magnétique.

 Les qubits « vivent » dans l'état quantique seulement un millionième de seconde. Mais pendant cet instant, ils ont le temps de calculer des centaines d'opérations.

Les savants russes avec, à leur tête  le chef du laboratoire des méta-matériaux superconducteurs de l’Université de l’acier et des alliages, ont fait ainsi un pas important en vue de la création de l'ordinateur du futur en testant le qubit superconducteur.

Le nouveau laboratoire créé dans le cadre du projet à l'université est doté de l'équipement le plus moderne devrait lui permettre de réaliser des expériences uniques

 

Voir notamment :

L’ordinateur quantique de la NASA et de Google double ses capacités sa puissance, passant de 512 qubits à plus de 1 000. - News - publié le 30/09/2015 « Selon le magazine Wired l’ordinateur quantique utilisé par Google (1), la NASA et l’Association universitaire de la recherche spatiale américaine vient de doubler sa puissance. Pour Google, une machine beaucoup plus rapide que les ordinateurs qui gèrent aujourd’hui ses recherches sur Internet.

Google se lance dans la création d'un ordinateur quantique. Les bits quantiques doivent d’augmenter considérablement leur puissance de calcul. - News - publié le 04/09/2014 Associé jusqu'ici  à la NASA et l'USRA au sein du Quantum Artificial Intelligence Lab (Laboratoire d'intelligence artificielle quantique), Google qui partageait l’accès à l’ordinateur quantique, a décidé de poursuivre seul ses recherches et de construire un nouvel ordinateur quantique.