Effacer parfaitement les données et atteindre la température la plus basse possible – ces deux choses semblent complètement différentes, mais elles sont étroitement liées –

Une équipe de recherche de la TU Wien (Vienne) s’est maintenant penchée sur la question : comment concilier cette loi avec les règles de la physique quantique ? Ils ont réussi à développer une “version quantique” de la troisième loi de la thermodynamique : Théoriquement, le zéro absolu est atteignable. Mais pour toute recette imaginable, vous avez besoin de trois ingrédients : énergie, temps et complexité. Et ce n’est que si vous avez une quantité infinie de l’un de ces ingrédients que vous pouvez atteindre le zéro absolu.

Information et thermodynamique : une apparente contradiction

Lorsque les particules quantiques atteignent le zéro absolu, leur état est connu avec précision : elles sont garanties d’être dans l’état d’énergie la plus faible. Les particules ne contiennent alors plus aucune information sur l’état dans lequel elles se trouvaient auparavant. Tout ce qui a pu arriver à la particule auparavant est parfaitement effacé. Du point de vue de la physique quantique, le refroidissement et la suppression d’informations sont donc étroitement liés.

À ce stade, deux théories physiques importantes se rencontrent : la théorie de l’information et la thermodynamique. Mais les deux semblent se contredire : « De la théorie de l’information, nous connaissons le soi-disant principe de Landauer. Il dit qu’une quantité minimale d’énergie très spécifique est nécessaire pour supprimer un bit d’information », explique le professeur Marcus Huber du Institut atomique de TU Wien. La thermodynamique, cependant, dit que vous avez besoin d’une quantité infinie d’énergie pour refroidir quoi que ce soit exactement au zéro absolu. Mais si la suppression d’informations et le refroidissement au zéro absolu sont la même chose, comment cela s’articule-t-il ?

Énergie, temps et complexité

Les racines du problème résident dans le fait que la thermodynamique a été formulée au 19ème siècle pour des objets classiques – pour les machines à vapeur, les réfrigérateurs ou les morceaux de charbon incandescents. À cette époque, les gens n’avaient aucune idée de la théorie quantique. Si nous voulons comprendre la thermodynamique des particules individuelles, nous devons d’abord analyser comment la thermodynamique et la physique quantique interagissent – et c’est exactement ce que Marcus Huber et son équipe ont fait.

“Nous avons rapidement réalisé qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser une énergie infinie pour atteindre le zéro absolu”, explique Marcus Huber. “C’est également possible avec une énergie finie, mais il faut alors un temps infiniment long pour le faire.” Jusqu’à présent, les considérations sont toujours compatibles avec la thermodynamique classique telle que nous la connaissons dans les manuels. Mais ensuite, l’équipe est tombée sur un détail supplémentaire d’une importance cruciale :

“Nous avons découvert qu’il est possible de définir des systèmes quantiques qui permettent d’atteindre l’état fondamental absolu même à une énergie finie et dans un temps fini – aucun de nous ne s’y attendait”, déclare Marcus Huber. “Mais ces systèmes quantiques spéciaux ont une autre propriété importante : ils sont infiniment complexes.” Vous auriez donc besoin d’un contrôle infiniment précis sur une infinité de détails du système quantique – vous pourriez alors refroidir un objet quantique au zéro absolu en un temps fini avec une énergie finie. En pratique, bien sûr, cela est tout aussi inaccessible qu’une énergie infiniment élevée ou un temps infiniment long.

Effacer des données dans l’ordinateur quantique

“Donc, si vous voulez effacer parfaitement les informations quantiques dans un ordinateur quantique, et dans le processus transférer un qubit vers un état fondamental parfaitement pur, alors théoriquement, vous auriez besoin d’un ordinateur quantique infiniment complexe qui peut parfaitement contrôler un nombre infini de particules.” dit Marcus Huber. En pratique, cependant, la perfection n’est pas nécessaire – aucune machine n’est jamais parfaite. C’est suffisant pour qu’un ordinateur quantique fasse assez bien son travail. Les nouveaux résultats ne sont donc pas un obstacle en principe au développement des ordinateurs quantiques.

Dans les applications pratiques des technologies quantiques, la température joue aujourd’hui un rôle clé : plus la température est élevée, plus il est facile pour les états quantiques de se briser et de devenir inutilisables pour toute utilisation technique. “C’est précisément pourquoi il est si important de mieux comprendre le lien entre la théorie quantique et la thermodynamique”, explique Marcus Huber. “Il y a beaucoup de progrès intéressants dans ce domaine en ce moment. Il devient lentement possible de voir comment ces deux parties importantes de la physique s’entremêlent.”