Nous disons qu'un message est incohérent lorsque nous ne pouvons pas le faire ou quand cela n'a pas de sens. Une note gribouillée, un argument ivre ou une conversation ayant lieu cinq tables dans un café bondé pourrait tous être incohérents. En général, « cohérent » signifie le contraire – consiste, connecté, clair.
En science, le mot cohérence prend des définitions mathématiques plus spécifiques, mais elles obtiennent toutes un concept similaire: quelque chose est cohérent s'il peut être compris, s'il forme un tout unifié et si ces deux premières qualités persistent.
Les scientifiques ont à l'origine développé le concept de cohérence pour comprendre et décrire le comportement ondulé de la lumière. Depuis lors, le concept a été généralisé à d'autres systèmes impliquant des vagues, telles que les systèmes acoustiques, électroniques et quantiques.
« La cohérence est une mesure de la façon dont certains systèmes maintiendront leurs relations les uns avec les autres et dans la façon dont nous sommes en mesure de prédire l'évolution de ces systèmes », a déclaré Martin Holt, scientifique du US Department of Energy (DOE) Argonne National Laboratory et un membre de Q-Next, un Doe National Quantum Information Science Research Center dirigé par Argonne. « La compréhension et le contrôle de la cohérence dans les technologies quantiques est cruciale car les relations impliquées doivent être très longues et bien compris. »
Comme les chercheurs du monde entier, les scientifiques de Q-NEXT étudient et améliorent la cohérence dans les systèmes quantiques pour des technologies telles que la détection quantique et l'informatique quantique. Une fois réalisées, ces technologies exploiteront la cohérence pour effectuer des calculs complexes, prendre des mesures à haute résolution et transmettre des messages indemnisables, révolutionnant potentiellement notre approche de la communication, de la cybersécurité, de la simulation, de l'optimisation et plus encore.
Ondes cohérentes
Imaginez une vague, montant et tombant périodiquement à une certaine vitesse (fréquence), et avec une certaine hauteur ou intensité (amplitude). Maintenant, jetez une deuxième vague. Si les deux vagues sont compensées l'une de l'autre – si elles ne montent pas et ne diminuent pas – elles seraient hors de phase. C'est cette différence de phase qui détermine si les ondes interfèrent pour avoir un effet d'amplification ou d'annulation les uns sur les autres, ou quelque chose entre les deux.
Nous le voyons dans la vie quotidienne. Une interférence constructive se produit lorsque deux chanteurs s'amplifient les voix les uns des autres, ou lorsque vous faites rebondir un ami sur le trampoline. L'interférence destructrice des ondes sonores est le principe des écouteurs antibruit.
Deux vagues sont cohérentes lorsqu'il existe une relation significative entre leurs phases ou lorsque leur interférence crée un modèle bien compris. Essentiellement, la cohérence est une mesure de la synchronisation des ondes les unes avec les autres. Il y a des degrés de cohérence; Les vagues peuvent être plus ou moins cohérentes les unes avec les autres.
Les lasers, par exemple, sont conçus pour émettre une lumière très cohérente. Ils contiennent des atomes excités par l'énergie et sur leur décroissance, émettent des photons (particules de lumière) avec la même fréquence et la même phase les unes que les autres. Ces photons rebondissent sur les miroirs à l'intérieur du laser, qui servent à amplifier la lumière se déplaçant uniquement dans une certaine direction et avec une certaine fréquence. Cette interférence spéciale – ou la cohérence – entre les photons se traduit par un faisceau de lumière très concentré et uniforme. Les ondes sonores peuvent être également cohérentes, et les scientifiques ont même créé des lasers sonores ou des sasers.
Cohérence quantique
En mécanique quantique, les objets peuvent être représentés comme une combinaison d'ondes ou de particules. En principe, cela s'applique à tout objet. Mais cette façon de regarder les choses fonctionne mieux lorsque vous traitez avec des objets très petits, comme les photons, d'autres particules élémentaires et des atomes.
Les objets quantiques peuvent être décrits avec un type spécial d'identifiant appelé fonction d'onde. C'est une sorte de vague sur les stéroïdes, car il peut contenir une quantité incroyable d'informations dans ses coins et recoins mathématiques.
En effet, les fonctions d'onde sont des composites d'ondes elles-mêmes. La cohérence quantique fait référence aux relations de phase entre ces vagues – celles qui décrivent ensemble l'objet entier. Lorsque ces ondes interfèrent de manière cohérente, elle donne naissance à la superposition quantique, une caractéristique centrale de la mécanique quantique qui permet à un objet d'exister simultanément dans plusieurs états.
Voici où il devient unique. Les ondes composant la fonction d'onde quantique d'un objet ne correspondent pas aux valeurs physiques, comme la position ou l'énergie. Au lieu de cela, ils correspondent à la probabilité de différentes façons possibles que l'état de l'objet puisse évoluer – par exemple, la probabilité que son énergie change avec le temps d'une certaine manière, ou de la probabilité qu'elle tourne d'une certaine manière d'une certaine manière emplacement. La cohérence quantique est une interférence entre ces différentes histoires futures possibles de l'objet.
Cependant, cette interférence ne peut exister que jusqu'à ce que le système soit observé ou perturbé. À ce stade, l'interférence entre les vagues disparaît et la superposition est perdue. L'objet n'a apparemment connu qu'une seule des histoires possibles.
Qu'est-ce que cela signifie pour que de futurs histoires possibles d'interférer? Et pour que la fonction d'onde s'effondre en une seule de ces histoires? Ce sont des questions difficiles. Actuellement, nous en savons plus sur la façon d'utiliser cette fonctionnalité de mécanique quantique que ce qu'elle signifie pour la nature de notre réalité.
Détection au niveau quantique
La cohérence est fragile et difficile à protéger. Les objets quantiques et les systèmes parfaitement isolés peuvent maintenir la cohérence indéfiniment, mais il serait impossible de les manipuler ou de les étudier.
Comme un objet quantique rencontre d'autres objets ou champs, il ramasse des influences aléatoires de chacun. Même l'acte de mesurer l'objet introduit nécessairement du bruit, rendant sa fonction d'onde d'origine difficile – sinon impossible – à déchiffrer. En conséquence, les informations stockées dans le système cohérent sont perdues dans un processus appelé décohérence.
Mais pour certaines applications, la décohérence peut être un avantage.
« Si vous préparez un objet dans une certaine superposition d'États avec une certaine cohérence, et que vous l'envoyez dans un environnement avec des influences inconnues, alors un changement dans la relation de phase de l'objet peut fournir des informations significatives sur l'environnement », a déclaré Jennifer Dionne, une Professeur de science des matériaux et de radiologie à l'Université de Stanford et directeur adjoint de Q-Next.
Ici, l'objet quantique lui-même est le capteur. Parce que sa relation de phase est si sensible, elle répond de manière importante aux influences subtiles de l'environnement. Cette sensibilité pourrait permettre une détection et une imagerie extrêmement haute résolution. La cohérence quantique permet aux scientifiques de commencer le capteur dans un état bien compris qui persistera au fil du temps. Cela facilite la détermination de rétroactivement comment cet état a changé et ce que ces changements signifient dans l'environnement.
Par exemple, le laboratoire de Dionne développe des capteurs quantiques pour détecter la force.
« Nous étudions comment les couleurs des nanoparticules changent lorsqu'elles rencontrent une force mécanique au sein d'un organisme », a déclaré Dionne. « Nous avons commencé à déployer ces capteurs dans les organismes vivants en utilisant des vers comme sujets de test. Comme les voies digestives des vers appliquent la force, les transitions quantiques dans la nanoparticule l'ont fait changer la couleur, que nous pouvons lire pendant la digestion. »
Les horloges atomiques et les capteurs d'ondes gravitationnelles reposent également sur la cohérence quantique pour l'ultraprécision. D'autres exemples d'applications de détection futures utilisant la cohérence quantique comprennent les technologies d'imagerie par résonance magnétique miniaturisée (IRM), qui pourraient être utilisées pour scanner des cellules ou des molécules uniques ou améliorer considérablement la résolution des scans IRM-Organisme entier.
La cohérence quantique joue également un rôle dans les systèmes biologiques. Les scientifiques croient que les oiseaux utilisent la cohérence quantique des protéines dans leurs yeux pour sentir le champ magnétique de la Terre pour la navigation, comme un GPS interne. Les chercheurs développent des capteurs de champ magnétique en utilisant les mêmes principes pour aider les humains à naviguer dans des situations où le GPS par satellite est impossible.
Vague bonjour à l'informatique quantique
Un objet cohérent peut servir de grand capteur. Deux ou plusieurs objets quantiques cohérents les uns avec les autres permettent un calcul quantique.
Le bit traditionnel ou classique dans un ordinateur peut exister dans l'un des deux états, 0 ou 1. Grâce à la superposition quantique, un bit quantique – un qubit – peut exister dans une combinaison des deux états simultanément. La cohérence est responsable du maintien des relations de phase, et donc de la superposition entre ces états dans le temps et l'espace.
« Dans l'informatique quantique, au lieu de faire des opérations telles que l'addition ou la multiplication sur des bits classiques, vous effectuez des opérations sur différents composants des ondes qui composent la fonction d'onde », a déclaré Dionne. « Il est important de maintenir la cohérence suffisamment longtemps pour que l'ordinateur effectue des opérations, il n'accumule pas d'erreurs comme les différentes parties de la fonction d'onde décohére. »
La cohérence est également responsable du maintien de l'enchevêtrement, un cas particulier de superposition qui est crucial pour l'informatique quantique. Lorsque des objets quantiques sont enchevêtrés, ils maintiennent une corrélation particulière les uns avec les autres même s'ils sont physiquement séparés par de grandes distances.
« Tant que deux objets enchevêts restent cohérents les uns avec les autres, vous pouvez effectuer une opération sur l'un d'eux, et cela vous donnera des informations sur l'autre », a déclaré Dionne.
Dites que vous souhaitez utiliser un ordinateur quantique pour prédire le succès d'une fête de pizza que vous prévoyez de lancer. Tout d'abord, vous devez décider quels facteurs contribueraient à une fête réussie, comme le goût de la pizza et le nombre d'invités. Vous pouvez attribuer un qubit pour représenter le rapport d'eau à la farine dans votre pâte à pizza, avec 0 ne représentant pas d'eau, 1 ne représentant que l'eau et la superposition entre eux représentant tous les rapports possibles. Un autre qubit pourrait représenter le nombre de personnes qui se présentent, allant de personne à tous ceux que vous avez invités. Peut-être qu'un troisième qubit représente la probabilité de brûler votre nourriture, etc.
« Vous avez toutes ces probabilités capturées dans des états propres et cohérents, et vous laissez le système évoluer au fil du temps », a déclaré Holt. « Si vous répétez suffisamment la simulation, vous obtenez la probabilité du succès de la partie basée sur les facteurs que vous avez codés dans les fonctions d'onde des qubits enchevêtrés. Mais la simulation ne continue que si les États sont cohérents. »
En raison de la façon dont les informations sont intégrées dans la fonction d'onde, un petit nombre de qubits peuvent représenter des problèmes très compliqués et réels avec de nombreuses dépendances, telles que l'optimisation du réseau électrique ou la recherche du moyen le plus économe en énergie de distribuer des marchandises à travers le monde . Plus le système est cohérent longtemps, plus les calculs peuvent être complexes.
Préserver la cohérence quantique
Le travail de Holt chez Argonne se concentre sur le développement de qubits basés sur la matière, où un défaut – un atome remplacé ou une vacance atomique, par exemple, est ancré dans la structure autrement normale d'un matériau. Bien que les scientifiques essaient de protéger les défauts de la décohérence, de petits changements de température, de pression ou de champs magnétiques peuvent introduire du bruit.
Imaginez que vous courez au gymnase et que la musique joue sur les haut-parleurs. Vous remarquez qu'il est difficile de courir à votre rythme plutôt que de courir au rythme de la musique, et cela ruine votre flux.
« Il existe quelques façons d'empêcher cela », a déclaré Holt. « Vous pouvez porter des bouchons d'oreille pour que vous soyez isolé de l'influence externe, ou que vous puissiez commencer à courir beaucoup plus rapidement ou plus lent afin qu'il soit plus facile de découpler le rythme de votre corps à partir de celui de la musique. Ensuite, même si la musique change, vous ne faites pas Je ne vous en soucie pas parce que vous en êtes aussi loin. «
Pour isoler les qubits du bruit, les scientifiques maintiennent les ordinateurs quantiques très froids – ne sont pas un zéro absolu. Ils découplent davantage les qubits de leur environnement en concevant et en manipulant les états des qubits pour répondre aux fréquences de lumière ou de son qui ne sont pas affectées.
Ceci est difficile à réaliser, et différents types de qubits sont plus faciles à protéger que les autres. Jusqu'à présent, les qubits les plus longs sont appelés atomes piégés, qui se sont avérés être cohérents pendant plusieurs minutes ou plus. Cependant, ces qubits sont difficiles à utiliser pour calculer les applications. Une récente démonstration de cohérence à longue durée de vie a été faite par des scientifiques de Q-Next à Argonne et à l'Université de Chicago. L'équipe a montré qu'un certain qubit semi-conducteur – un type de qubit qui est plus prometteur pour l'informatique quantique – était cohérent pendant plus de cinq secondes.
« La prévention de la perte d'informations par décohérence est la partie difficile de la science de l'information quantique, et c'est pourquoi le domaine est appelé ainsi », a déclaré Holt. « Ce n'est pas seulement la science quantique, c'est le traitement de l'information en utilisant la cohérence quantique. »
