{"id":36493,"date":"2020-07-22T11:31:28","date_gmt":"2020-07-22T15:31:28","guid":{"rendered":"https:\/\/cifar661.wpengine.com\/cifarnews\/2020\/07\/22\/cifar-researchers-measure-the-duration-of-quantum-tunnelling\/"},"modified":"2021-11-25T05:30:08","modified_gmt":"2021-11-25T10:30:08","slug":"des-chercheurs-du-cifar-mesurent-la-duree-de-leffet-tunnel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cifar.ca\/fr\/cifarnews\/2020\/07\/22\/des-chercheurs-du-cifar-mesurent-la-duree-de-leffet-tunnel\/","title":{"rendered":"Des chercheurs du CIFAR mesurent la dur\u00e9e de l\u2019effet tunnel"},"content":{"rendered":"<p><span class=\"highlight-text\">Aephraim Steinberg, codirecteur du programme Informatique quantique du CIFAR, a dirig\u00e9 une \u00e9quipe qui a chronom\u00e9tr\u00e9 le myst\u00e9rieux comportement quantique des atomes.<\/span><\/p>\n<p>Combien de temps faut-il pour r\u00e9ussir ce qui est en apparence impossible? Trouver r\u00e9ponse \u00e0 cette question pourrait mener \u00e0 de meilleurs ordinateurs quantiques et \u00e0 une meilleure compr\u00e9hension de la physique.<\/p>\n<p>La plupart des physiciens quantiques ne s\u2019\u00e9tonneraient pas de voir appara\u00eetre des objets quantiques, comme des atomes ou des photons, de l\u2019autre c\u00f4t\u00e9 de barri\u00e8res en apparence insurmontables. L\u2019effet en cause ici, appel\u00e9 effet tunnel, a \u00e9t\u00e9\u00a0<a class=\"color-red\" href=\"https:\/\/physicstoday.scitation.org\/doi\/abs\/10.1063\/1.1510281?journalCode=pto\">signal\u00e9 pour la premi\u00e8re fois dans les ann\u00e9es\u00a01920<\/a>. Il est tellement bien \u00e9tabli que nous l\u2019exploitons dans les microscopes avanc\u00e9s et les ordinateurs quantiques, et nous savons maintenant qu\u2019il est essentiel \u00e0 la\u00a0<a class=\"color-red\" href=\"https:\/\/www.ncbi.nlm.nih.gov\/pmc\/articles\/PMC5454345\/\">photosynth\u00e8se<\/a>\u00a0et \u00e0 la fusion nucl\u00e9aire.<\/p>\n<p>\u00ab\u00a0En l\u2019absence de l\u2019effet tunnel, nous ne serions m\u00eame pas l\u00e0\u00a0\u00bb, explique Aephraim Steinberg, codirecteur du programme Informatique quantique du CIFAR et professeur de physique \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Toronto. \u00ab\u00a0Pour que se produisent les premi\u00e8res \u00e9tapes de la r\u00e9action de fusion au c\u0153ur du soleil, il faut qu\u2019un noyau franchisse la barri\u00e8re tunnel jusqu\u2019\u00e0 un autre noyau. En cons\u00e9quence, l\u2019effet tunnel est un processus fondamental qui se produit r\u00e9ellement dans l\u2019Univers, pas seulement dans les manuels de physique quantique.\u00a0\u00bb<\/p>\n<p>Toutefois, les d\u00e9tails de ce ph\u00e9nom\u00e8ne \u00e9taient demeur\u00e9s bien myst\u00e9rieux. Pendant 90\u00a0ans, les physiciens ont cherch\u00e9 \u00e0 \u00e9lucider pr\u00e9cis\u00e9ment comment se produit l\u2019effet tunnel, ce que font les atomes quand ils franchissent la barri\u00e8re tunnel et combien de temps leur prend ce parcours.<\/p>\n<p>Afin de mieux comprendre combien de temps prennent les particules pour franchir la barri\u00e8re tunnel, l\u2019\u00e9quipe de Steinberg a mesur\u00e9 le temps que prenaient des atomes ultrafroids de rubidium pour franchir un rayon laser d\u2019un micron d\u2019\u00e9paisseur qui aurait d\u00fb les r\u00e9fl\u00e9chir. Dans un article publi\u00e9 dans\u00a0<em>Nature<\/em>\u00a0en juillet\u00a02020, ils ont signal\u00e9 une dur\u00e9e d\u2019environ une milliseconde.<\/p>\n<p>Cette perc\u00e9e, qui s\u2019appuie sur pr\u00e8s de vingt ans d\u2019exp\u00e9riences de plus en plus sophistiqu\u00e9es dans le laboratoire de Steinberg, est la premi\u00e8re mesure du genre au monde et r\u00e9v\u00e8le des v\u00e9rit\u00e9s profondes sur les lois physiques qui gouvernent les interactions quantiques.<\/p>\n<p>\u00ab\u00a0Steinberg et ses coll\u00e8gues ont d\u00e9couvert un domaine cach\u00e9, tr\u00e8s profond \u2014 la r\u00e9gion normalement interdite par la physique classique o\u00f9 se produit l\u2019effet tunnel \u2013 et cela nous permet de mieux comprendre ce que l\u2019on peut d\u00e9couvrir au bout du compte sur un syst\u00e8me physique\u00a0\u00bb, explique Irfan Siddiqi, sp\u00e9cialiste en contr\u00f4le quantique, Boursier au sein du programme Informatique quantique du CIFAR et professeur de physique \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de la Californie \u00e0 Berkeley. \u00ab\u00a0La mise au point de nouvelles m\u00e9thodes de mesure qui permettent d\u2019acc\u00e9der \u00e0 des signatures quantiques uniques et de longue dur\u00e9e est essentielle \u00e0 l\u2019\u00e9laboration d\u2019architectures avanc\u00e9es de traitement de l\u2019information quantique.\u00a0\u00bb<\/p>\n<h2 class=\"cust-post-title\"><span class=\"heading-small\">Une horloge quantique qui fonctionne seulement lors de l\u2019effet tunnel<\/span><\/h2>\n<p>Pour examiner l\u2019effet tunnel, l\u2019\u00e9quipe de Steinberg a mis sur pied un syst\u00e8me o\u00f9 des atomes de rubidium, refroidis \u00e0 un milliardi\u00e8me de degr\u00e9 au-dessus du z\u00e9ro absolu, sont pouss\u00e9s dans une barri\u00e8re laser.<\/p>\n<p><iframe loading=\"lazy\" src=\"https:\/\/drive.google.com\/file\/d\/1iBY_Jx9r-QYMPi5o-TAKfzOqlE127oZ1\/preview?usp=sharing\" width=\"400\" height=\"100\" frameborder=\"0\" data-mce-fragment=\"1\"><\/iframe><\/p>\n<p><span class=\"img-caption\">\u00c9coutez Aephraim Steinberg d\u00e9crire le montage exp\u00e9rimental qui a permis \u00e0 son \u00e9quipe de chronom\u00e9trer l\u2019effet tunnel (audio en anglais).<\/span><\/p>\n<p>\u00ab\u00a0Nous avons cr\u00e9\u00e9 un faisceau [lumineux] qui a servi de fibre guide pour les atomes et qui les a maintenus dans cette ligne. Nous avons ensuite ajout\u00e9 un deuxi\u00e8me faisceau qui intersecte le premier pour repousser les atomes\u00a0\u00bb, explique Steinberg. \u00ab\u00a0Le deuxi\u00e8me faisceau agissait comme une barri\u00e8re et nous pouvions tr\u00e8s soigneusement en ajuster la \u201chauteur\u201d. Comme la configuration du syst\u00e8me nous permettait aussi de donner une petite pouss\u00e9e aux atomes, nous pouvions faire des ajustements pour qu\u2019ils aient suffisamment d\u2019\u00e9nergie ou pas pour surmonter la barri\u00e8re dans le monde de la physique classique.\u00a0\u00bb<\/p>\n<p>En guise d\u2019horloge \u00e0 effet tunnel, les chercheurs ont choisi le m\u00e9tal alcalin rubidium, car ses atomes peuvent alterner entre deux \u00e9tats de fa\u00e7on pr\u00e9cise et pr\u00e9visible. D\u2019ailleurs, les oscillations d\u2019un atome connexe, le c\u00e9sium,\u00a0<a class=\"color-red\" href=\"https:\/\/www.bipm.org\/metrology\/time-frequency\/units.html\">d\u00e9finissent la seconde<\/a>. Sur le plan math\u00e9matique, on peut traiter cette oscillation comme l\u2019aiguille d\u2019une horloge qui pointe dans une certaine direction et qui avance au fil du temps.<\/p>\n<p>\u00ab\u00a0Comme nous souhaitions que [les aiguilles des atomes] n\u2019avancent que dans cette r\u00e9gion d\u2019un micron o\u00f9 se trouve la barri\u00e8re, nous avons utilis\u00e9 la lumi\u00e8re de la barri\u00e8re elle-m\u00eame pour \u00e9galement chatouiller le spin des atomes et le faire osciller \u00e0 une fr\u00e9quence que nous connaissions\u00a0\u00bb, affirme Steinberg.<\/p>\n<p>Apr\u00e8s avoir obtenu des particules aptes \u00e0 franchir la barri\u00e8re tunnel et que celles-ci portaient une horloge fonctionnant seulement \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur de la barri\u00e8re, les chercheurs ont d\u00fb prendre des photos illustrant o\u00f9 les aiguilles de l\u2019horloge pointaient une fois rendues de l\u2019autre c\u00f4t\u00e9 afin de calculer le temps pass\u00e9 par les atomes dans la barri\u00e8re.<\/p>\n<h3><span class=\"heading-small\">Les bonnes choses viennent \u00e0 qui sait attendre<\/span><\/h3>\n<p>\u00ab\u00a0Cette id\u00e9e de sonder l\u2019histoire d\u2019une particule quantique est au c\u0153ur de mes recherches et a \u00e9t\u00e9 \u00e9voqu\u00e9e \u00e0 r\u00e9p\u00e9tition lors de discussions aux r\u00e9unions de programme du CIFAR\u00a0\u00bb, explique Steinberg, nomm\u00e9 Boursier du programme Informatique quantique en 2003 et codirecteur au moment du renouvellement du programme en 2018. Il r\u00e9fl\u00e9chit \u00e0 cette exp\u00e9rience d\u00e9licate et complexe, la perfectionne, la met \u00e0 l\u2019essai et la reproduit depuis 2001.<\/p>\n<p>\u00ab\u00a0Il n\u2019y a rien de gratuit en m\u00e9canique quantique\u00a0\u00bb, explique Siddiqi. \u00ab\u00a0Par exemple, une solution pour stocker de mani\u00e8re robuste de l\u2019information dans un syst\u00e8me quantique consiste \u00e0 la cacher du monde classique. En cons\u00e9quence se pose le d\u00e9fi technique fondamental de mettre au point du mat\u00e9riel o\u00f9 la coh\u00e9rence quantique est de longue dur\u00e9e, mais contr\u00f4lable.\u00a0\u00bb<\/p>\n<p>Le r\u00e9sultat constitue non seulement la preuve qu\u2019il est possible de chronom\u00e9trer le processus de l\u2019effet tunnel, mais qu\u2019il y a encore beaucoup de choses \u00e0 d\u00e9couvrir pour brosser le portrait complet des syst\u00e8mes quantiques. Ce r\u00e9sultat suscitera de nouvelles id\u00e9es quant \u00e0 ce qu\u2019on peut d\u00e9couvrir sur le pass\u00e9 d\u2019une particule quantique \u00e0 partir d\u2019observations r\u00e9alis\u00e9es au moment pr\u00e9sent au sein du programme Informatique quantique du CIFAR qui r\u00e9unit th\u00e9oriciens et exp\u00e9rimentateurs pour r\u00e9pondre aux questions les plus fondamentales du domaine.<\/p>\n<p>\u00ab\u00a0Jusqu\u2019\u00e0 pr\u00e9sent, il s\u2019agissait en quelque sorte d\u2019une question sp\u00e9cialis\u00e9e en optique quantique\u00a0\u00bb, d\u00e9clare Steinberg. \u00ab\u00a0Mais je pense qu\u2019au fil de l\u2019\u00e9volution de la technologie et de la cr\u00e9ation de ces agglom\u00e9rations de qubits \u00e0 plus grande \u00e9chelle, et alors que nous essayons de mieux caract\u00e9riser et de contr\u00f4ler ces derniers, la question prend une importance pratique renouvel\u00e9e.\u00a0\u00bb<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" title=\"line\" src=\"https:\/\/cifar.ca\/images\/default-source\/default-album\/line.jpg?sfvrsn=d78801b5_0\" alt=\"line img\" data-displaymode=\"Original\" \/><\/p>\n<p>L\u2019article<em>\u00a0<a class=\"color-red\" href=\"https:\/\/www.nature.com\/articles\/s41586-020-2490-7\" target=\"_blank\" rel=\"noopener noreferrer\">Measurement of the time spent by a tunnelling atom within the barrier region<\/a><\/em><em>\u00a0<\/em>a \u00e9t\u00e9 publi\u00e9 dans la revue\u00a0<em>Nature<\/em>\u00a0le 22 juillet\u00a02020.<\/p>\n<p>Le programme\u00a0<a class=\"color-red\" href=\"https:\/\/cifar.ca\/fr\/recherche\/programme\/informatique-quantique\">Informatique quantique<\/a>\u00a0du CIFAR vise \u00e0 comprendre la science fondamentale qui sous-tend l\u2019information quantique afin de d\u00e9couvrir comment au mieux l\u2019exploiter, r\u00e9soudre d\u2019importants probl\u00e8mes computationnels et produire de nouvelles connaissances en physique et en science de l\u2019information. Le programme adopte une large d\u00e9marche interdisciplinaire qui rassemble des physiciens, des informaticiens et d\u2019autres personnes \u0153uvrant dans des disciplines connexes afin de relever les d\u00e9fis les plus fondamentaux du domaine.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Aephraim Steinberg, codirecteur du programme Informatique quantique du CIFAR, a dirig\u00e9 une \u00e9quipe qui a chronom\u00e9tr\u00e9 le myst\u00e9rieux comportement quantique des atomes. 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