Notions de thermodynamique quantique/Machines quantiques

Début de la boite de navigation du chapitre

On espère développer des nouvelles technologies avec des systèmes avec peu de particules où on a alors des comportements quantiques. Dans la thermodynamique quantique, les particules individuelles sont décrites comme des objets quantiques dotés de propriétés particulières telles que le spin, la polarisation et l'état de superposition. Parmi ces comportements quantiques, la cohérence et l'intrication sont des ressources qui devrait permettre de développer des machines quantiques comme :

• les ordinateurs quantiques (théorie quantique de l'information et thermodynamique quantique)

fin de la boite de navigation du chapitre

• les moteurs quantiques.

En outre, des machines quantiques pourrait être utilisés pour améliorer la précision de diverses mesures et applications de la physique quantique.

L'intrication

Les objets quantiques obéissent au principe de superposition. Deux objets quantiques peuvent se lier après interaction. Ils se comportent alors comme un seul objet quantique décrit par la même fonction d'onde.

Si on considère 2 qubits où l'un des qubits est dans l'état |0⟩ et l'autre dans l'état |1⟩, alors les 2 qubits sont intriqués de manière à former un état de Bell (ou état EPR) et l'état quantique intriqué sera :

|Ψ⟩ = (|01⟩ - |10⟩)/√2

Cet état est souvent appelé l'état de Bell maximale, car il est le plus intriqué possible pour deux qubits. Lorsque l'un des qubits est mesuré, l'état quantique de l'autre qubit sera instantanément déterminé, quel que soit l'éloignement entre les deux qubits. Cela illustre l'un des aspects les plus étonnants de la physique quantique, connu sous le nom d'"intrication quantique".

Si on considère à présent 2 qubits dont les états peuvent être 0 ou 1, quand ils sont intriqués, on a alors un seul système indissociable avec 4 états : 0-0 , 1-1 , 0-1 et 1-0 . Un ordinateur quantique avec n qubits aura 2ⁿ états. Ce sont des états intriqués (ou corrélés).

L'intrication peut se faire avec un très grand nombre d'atomes.

Les machines quantiques

Les machines quantiques représentent une avancée importante dans le domaine de l'informatique quantique. Alors que les ordinateurs classiques utilisent des bits qui peuvent être soit 0 soit 1, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits qui peuvent être dans un état superposé des deux états 0 et 1. Cette caractéristique unique permet aux ordinateurs quantiques de réaliser des calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques.

Les machines quantiques peuvent également être utilisées pour la communication quantique, qui permet un échange d'information totalement sécurisé en utilisant des propriétés quantiques de la lumière.

Bien que de nombreux défis doivent encore être relevés, les machines quantiques ont le potentiel de révolutionner de nombreux domaines, de la sécurité informatique à la recherche pharmaceutique en passant par la communication quantique.

Les ordinateurs quantiques

Au début des années 1980, on a commencé à s' intéresser à la possibilité d'avoir des ordinateurs quantiques.

La recherche porte donc sur le moyen d'avoir des qubits. Il y a plusieurs possibilités mais parmi celles-ci, la plus avancée, est de simuler un atome en état supraconducteur. Ici, l'information 0 ou 1 correspond au sens de passage du courant. En 2019, un processeur avec 53 qubits intriqués a été réalisé.

Processeur supraconducteur transmon avec 4 qubits fabriqué par IBM

Une autre possibilité est le qubit de silicium où un électron est piégé. Les états 0 ou 1 correspondent au spin de l'électron (up ou down).

La mise en place de machines quantiques pose de nombreux défis, tels que la correction d'erreur quantique, car les qubits sont extrêmement sensibles aux interférences de l'environnement.

Les ordinateurs quantiques vont donc consommer moins d'énergie puisqu'il demande moins d'opérations de calcul mais il faut les refroidir et utiliser des codes correcteurs d'erreurs ce qui va jouer sur l'efficacité énergétique.

Les moteurs quantiques

Les moteurs quantiques sont un domaine émergent de la physique quantique qui explore les possibilités d'utiliser les principes quantiques pour concevoir des machines capables de transformer l'énergie en travail. Ces moteurs peuvent fonctionner avec des sources d'énergie à petite échelle, comme des photons, des électrons et des atomes, et sont conçus pour tirer parti des effets quantiques pour améliorer leur efficacité.

Les moteurs quantiques sont conçus pour fonctionner à l'aide de cycles de travail similaires à ceux des moteurs thermiques classiques, mais en utilisant des particules quantiques comme source d'énergie.

Les moteurs quantiques exploitent les principes fondamentaux de la thermodynamique quantique, qui diffèrent de ceux de la thermodynamique classique en ce qui concerne le comportement des particules à l'échelle nanométrique.

Les moteurs quantiques ont le potentiel d'offrir des améliorations significatives en termes d'efficacité énergétique par rapport aux moteurs thermiques classiques.

Cependant, la mise en œuvre pratique des moteurs quantiques reste un défi important. La nature délicate des propriétés quantiques des particules impliquées signifie que les moteurs quantiques sont extrêmement sensibles aux interférences externes, aux fluctuations de température et à d'autres perturbations environnementales. Les progrès dans la conception de dispositifs quantiques stables et robustes seront nécessaires pour réaliser le potentiel des moteurs quantiques dans des applications réelles.

Les moteurs quantiques MBL-mobiles

Les moteurs quantiques MBL-mobiles sont des systèmes quantiques qui ne sont pour le moment (en février 2023) qu'une expérience de pensée.

Dans une phase MBL (many-body localization), les particules se repoussent et sont séparées par des niveaux d'énergie très différents. Un tel système ne peut pas atteindre l'équilibre thermique.

Les moteurs quantiques MBL-mobiles ont des avantages par rapport aux moteurs classiques, car ils peuvent fonctionner sans pièces mobiles, réduisant ainsi les frottements et l'usure. Ils sont également plus efficaces en termes de consommation d'énergie, car ils peuvent extraire de l'énergie à partir de sources quantiques sans la dissiper en chaleur.

Pour produire du travail, on a imaginé un moteur qui utilise un cycle de 4 processus quantiques :

1) les atomes sont dans une phase MBL avec l'aide de lasers.

2) on rend les atomes mobiles

3) le moteur absorbe de la chaleur

4) retour à la phase MBL.

Il faut à présent chercher comment il serait possible de réaliser ce moteur, i.e. par exemple, comment récupérer le travail produit. Le moteur pourrait être constitué par un ensemble de minimoteurs. Des essais sont en cours d'étude en utilisant des qubits supraconducteurs placés dans un champ magnétique.

Notes et références

(en) Nicole Yunger Halpern, Thesis : Quantum steampunk: Quantum information, thermodynamics, their intersection, and applications thereof across physics , Caltech , Pasadena, California 2018 https://arxiv.org/pdf/1807.09786.pdf