Des chercheurs de la TU Wien et de la FU Berlin ont, pour la première fois, mesuré ce qui se passe lorsque l’information quantique est perdue, apportant un nouvel éclairage sur les liens profonds entre la physique quantique, la thermodynamique et la théorie de l’information.
À première vue, la chaleur et l’information semblent être des idées complètement sans rapport. La chaleur et l’énergie sont les pierres angulaires de la thermodynamique, l’un des domaines les plus importants de la physique. La théorie de l’information, en revanche, est un domaine mathématique qui explore la manière dont les données sont stockées et communiquées.
Mais dans les années 1960, le physicien Rolf Landauer a fait une affirmation audacieuse : supprimer des informations a toujours un coût en énergie. En fait, chaque fois que vous effacez des données d’un périphérique de stockage, une petite quantité de chaleur est libérée dans l’environnement. Cette idée, connue sous le nom de principe de Landauer, a révélé un lien profond entre la thermodynamique et les sciences de l’information.
Aujourd’hui, les scientifiques de la TU Wien sont allés encore plus loin. Pour la première fois, ils ont mesuré cet effet dans des systèmes quantiques complexes constitués de nombreuses particules. Leurs expériences montrent que lorsqu’un système quantique perd de l’information, lorsqu’il “oublie” son état, il y a un transfert mesurable d’énergie et d’entropie vers son environnement.
1-La suppression coûte de l’énergie
Le principe dit de Landauer stipule que la suppression d’informations n’est jamais gratuite”, explique le professeur Jörg Schmiedmayer de l’Institut atomique de la TU Wien. “Quelle que soit la manière dont vous stockez les informations, aussi économique et efficace soit-elle, supprimer un peu d’informations entraîne toujours au moins une certaine augmentation de l’entropie et donc également une perte d’énergie.” Ce principe joue un rôle important dans les ordinateurs quantiques et fixe des limites fondamentales au traitement de l’information basé sur la physique quantique.
Mais la question est maintenant : que signifie ‘supprimer ’ ou ‘oublier ’ au sens physique du terme ? Après tout, l’information peut être perdue de différentes manières. Vous pouvez effacer les informations écrites au crayon. Vous pouvez démagnétiser les supports de données magnétiques. Mais vous pouvez aussi vous demander : un système physique n’oublie-t-il pas aussi l’information simplement par le passage du temps ?
2-Physique réversible et irréversible
Il existe des systèmes physiques dont l’état futur découle de leur état actuel de manière claire et prévisible. Par exemple, si vous connaissez les positions et les vitesses de toutes les planètes, vous pouvez calculer avec une grande précision où se trouveront les planètes dans trois mois’ – ou où elles se trouvaient il y a trois mois. Cela signifie qu’aucune information n’a été perdue. Aucune donnée n’a été supprimée. Dans l’état actuel du système, l’état précédent est toujours stocké dans un certain sens. En principe, il peut être reconstruit.
En physique quantique, c’est également le cas en principe – mais seulement jusqu’à ce que le système quantique entre en contact avec son environnement. Lorsque vous mesurez l’état d’une particule quantique, par exemple, vous la mettez inévitablement en contact avec un appareil de mesure. Les informations sont transférées de la particule quantique à l’appareil de mesure, modifiant l’état de la particule d’une manière qui ne peut pas être inversée. Les informations s’infiltrent de la particule dans l’environnement dans un processus unidirectionnel irréversible.
3-Les nuages d’atomes ultra-froids
À la TU Wien, ce phénomène a maintenant été étudié à l’aide de nuages d’atomes ultra-froids. Plusieurs milliers d’atomes de rubidium ont été refroidis et maintenus en place sur une puce atomique. Puis, soudainement, deux de ces nuages d’atomes sont tombés, leur permettant de se propager librement et de se chevaucher. “Maintenant, nous divisons l’ensemble du système en deux parties”, explique Amin Tajik, qui a réalisé les expériences. “Une partie sert de système quantique, que nous analysons. Le reste est défini comme l’environnement – l’environnement avec lequel notre sous-système interagit.”
En mesurant précisément l’interférence entre les deux nuages atomiques, il est désormais possible de voir comment le sous-système interagit avec son environnement, comment l’information est perdue et comment l’entropie est transférée. “Il n’existe aucun appareil de mesure capable d’enregistrer directement ces variables simultanément”, explique Stefan Aimet, théoricien à la FU Berlin et membre de l’équipe théorique qui a travaillé en étroite collaboration internationale avec des théoriciens qui ont modélisé le phénomène observé et quantifié le lien entre les flux d’énergie et d’information.
Une analyse détaillée a montré que même ce système multi-particules compliqué adhère aux règles de Rolf Landauer. La suppression de l’information quantique s’accompagne en effet d’un transfert d’entropie et d’une perte d’énergie.
C’est une confirmation importante que l’information et la physique quantique sont effectivement étroitement liées d’une manière aussi passionnante et profonde que le pensait Rolf Landauer”, déclare Jens Eisert, chef du groupe théorique de la FU Berlin.
Cela nous rapproche également de la compréhension de l’une des questions les plus fondamentales de la physique quantique. Ce qui est particulièrement passionnant dans ce travail, ce sont les connaissances sur l’information et la chaleur qui ne sont pas directement couvertes par le principe de Landauer, car il s’agit déjà d’un théorème valable. Mais cette plateforme d’atomes ultra-froids nous permet d’explorer quantitativement des questions aussi profondes sur le processus de mesure, qui seront également importantes pour les technologies quantiques.”
