La thermodynamique, développée dans les années 1800 dans le contexte de la révolution industrielle, décrit les concepts physiques de la chaleur, du travail et de l'énergie (SN: 12/06/24). Ce domaine est né des efforts scientifiques pour comprendre les machines à vapeur. Contrairement aux machines industrielles bruyantes et fracassantes, la physique quantique décrit des phénomènes à l'échelle des atomes, des électrons et autres, et a conduit au développement de technologies modernes telles que les ordinateurs quantiques ((SN: 28/06/23).
Par le passé, certains physiciens ne pensaient pas que l'idée de la thermodynamique quantique avait du sens. « Ils la considéraient comme un oxymore », explique Yunger Halpern.
Aujourd’hui, ces deux concepts entrent en collision dans les moteurs quantiques et autres dispositifs miniatures. Les chercheurs en thermodynamique quantique souhaitent développer des outils permettant de décrire la chaleur, le travail, le refroidissement et l’efficacité des systèmes quantiques, et de déterminer les limites de performance des dispositifs quantiques. Yunger Halpern, physicien au National Institute of Standards and Technology basé au Joint Center for Quantum Information and Computer Science à College Park, dans le Maryland, est à l’avant-garde de ces efforts.
« Elle a une vision et elle la suit », explique le physicien quantique Aram Harrow du MIT. « Elle sait aussi convaincre d’autres personnes de partager sa vision. »
L’une des contributions majeures de Yunger Halpern a été d’explorer ce que le concept quantique derrière le principe d’incertitude de Heisenberg pourrait signifier pour la thermodynamique.
Imaginez une tasse de thé chaud. La thermodynamique décrit comment l’énergie se déplace du thé vers l’air ambiant, ou comment les molécules d’eau s’évaporent. Ces deux quantités – les molécules d’énergie et d’eau – sont conservées dans ce scénario, ce qui signifie qu’elles peuvent se déplacer d’un endroit à un autre, mais la quantité totale est fixe. Le problème de l’explication de la manière dont les quantités conservées sont échangées se pose à plusieurs reprises en thermodynamique.
Et si le thé n'était pas une tasse entière mais un paquet de quelques atomes ? Yunger Halpern veut savoir en quoi l'échange serait différent. En physique quantique, les quantités conservées peuvent être incompatibles entre elles. Cela signifie qu'elles ne peuvent pas être mesurées simultanément. Le principe d'incertitude de Heisenberg, qui stipule que mieux on connaît la position d'un objet quantique, moins on connaît son impulsion, et vice versa, fournit un exemple célèbre (SN: 12/01/22).
« Pendant de nombreuses décennies, presque personne n’a vraiment réfléchi à ce qui se passe lorsqu’un système et un environnement échangent des quantités incompatibles », explique Yunger Halpern. Il s’avère que l’incompatibilité peut avoir un impact réel sur le comportement du système, ont-ils noté dans une étude sur le sujet publiée en 2023 dans Nature Critiques Physique. Par exemple, l'incompatibilité peut diminuer la quantité d'entropie, ou de désordre, produite dans de tels échanges. Étant donné que l'entropie totale d'un système isolé tend à augmenter au fil du temps, certains scientifiques pensent que l'entropie est étroitement liée à une « flèche du temps » qui distingue le futur du passé (SN: 10/07/15). Dans un certain sens, explique Yunger Halpern, cela signifie que des quantités incompatibles pourraient entraver la capacité d'un système à expérimenter cette flèche du temps.
La thermodynamique quantique a donné lieu à des démonstrations intéressantes en laboratoire. Par exemple, un seul atome peut être transformé en un moteur quantique qui convertit la chaleur en travail (SN: 14/04/16). Aujourd’hui, Yunger Halpern souhaite mettre la thermodynamique quantique en pratique grâce à des machines quantiques autonomes.
Les dispositifs quantiques classiques, comme les moteurs à un seul atome, les horloges atomiques ou les bits quantiques qui composent les ordinateurs quantiques, nécessitent une sollicitation constante de la part des expérimentateurs pour fonctionner. Les dispositifs autonomes fonctionneraient automatiquement.
Yunger Halpern s'est associé à des collègues pour concrétiser cette idée. Le résultat est un réfrigérateur quantique autonome capable de refroidir automatiquement un bit quantique, a rapporté l'équipe en mai 2023 sur arXiv.org.
Dans un article publié sur arXiv en juillet 2023, elle et ses collègues ont défini les critères à respecter pour créer une machine quantique autonome. Par exemple, ces machines doivent avoir une intégrité structurelle et des états quantiques suffisamment purs. De plus, leur rendement doit être à la hauteur de l’apport nécessaire à leur fonctionnement. Cela signifie qu’un moteur quantique ne peut pas nécessiter plus d’énergie pour le contrôler qu’il n’en produit. Le physicien quantique Marcus Huber a travaillé avec Yunger Halpern pour élaborer ces critères. « Je l’ai trouvée brillante, mais aussi très intense et concentrée », explique Huber, de la TU Wien à Vienne. « Elle vous bombardera de questions pertinentes et pertinentes. »
Ce n'est pas seulement sa science qui est à l'honneur : son écriture l'est aussi. Le livre de Yunger Halpern, paru en 2022, Steampunk quantique : la physique d'hier à demaina attiré l'attention du public sur ce domaine. Elle est également blogueuse scientifique sur le site Web Quantum Frontiers. Selon Yunger Halpern, l'écriture lui permet d'explorer de nouvelles idées sans les contraintes des publications scientifiques (les spéculations fantaisistes et les idées « extravagantes » ne sont pas susceptibles de passer l'examen par les pairs). « Penser de manière très large et aussi créative que vous le souhaitez à n'importe quel jour du mois est utile pour rester créatif en physique. »
De la même manière que son travail juxtapose l’ancien et le nouveau, Yunger Halpern illustre souvent les contrastes, explique Shayan Majidy, de l’Université de Waterloo au Canada, qui rejoindra bientôt l’Université Harvard, et qui a récemment terminé son doctorat sous la direction de Yunger Halpern. Elle exige de ses étudiants des normes élevées, mais elle est chaleureuse et attentionnée en tant que conseillère. Majidy dit que lorsqu’il s’est marié, Yunger Halpern a réussi à trouver sa marque de crème glacée préférée – Kawartha Dairy – et lui a envoyé une carte-cadeau.
Ses loisirs sont plutôt calmes et lents : se promener, visiter des musées. Pourtant, elle insuffle une passion vigoureuse dans son travail. « Elle a des intérêts et des goûts très anciens », dit Majidy, « mais c’est une jeune chercheuse pleine d’énergie et d’avenir. »
