Une équipe de physiciens chinois vient de franchir une étape importante dans la compréhension de la décohérence quantique. En contrôlant l’environnement d’un système quantique, les chercheurs ont observé comment celui-ci peut perdre ses propriétés quantiques, les retrouver, puis ne plus parvenir à les récupérer lorsque son environnement devient plus complexe. Une avancée qui éclaire l’un des principaux obstacles au développement des ordinateurs quantiques.
L’étude, réalisée par des chercheurs de l’Université de Fuzhou, dans la province chinoise du Fujian, en collaboration avec le Hefei National Laboratory, a été publiée le 5 octobre 2026 dans la revue scientifique Physical Review Letters. Ses résultats ont fait l’objet d’une nouvelle présentation scientifique le 23 octobre.
Dirigés notamment par les physiciens Shi-Biao Zheng, Zhen-Biao Yang et Yan Xia, les chercheurs ont réussi à observer expérimentalement le passage d’une décohérence réversible à une décohérence apparemment irréversible, en faisant varier la complexité d’un environnement quantique artificiel.
La décohérence quantique : pourquoi les états quantiques sont-ils si fragiles ?
Pour comprendre cette découverte, il faut revenir à l’une des propriétés les plus étonnantes de la physique quantique : la superposition des états.
Dans notre monde quotidien, un objet se trouve généralement dans un état bien défini. Une porte est ouverte ou fermée, un interrupteur est allumé ou éteint.
À l’échelle quantique, la situation est différente. Une particule ou un système physique peut être préparé dans une superposition de plusieurs états possibles.
Cette superposition n’est pas simplement une incertitude sur l’état réel du système. Elle possède des propriétés physiques particulières, notamment la capacité de produire des interférences quantiques.
C’est précisément cette propriété qui intéresse les chercheurs en informatique quantique.
Contrairement aux bits des ordinateurs classiques, qui prennent la valeur 0 ou 1, les qubits peuvent être préparés dans une combinaison quantique de ces deux états.
Cette particularité permet aux processeurs quantiques d’exploiter des phénomènes d’interférence et d’intrication pour effectuer certains calculs.
Mais elle s’accompagne d’une difficulté majeure : les états quantiques sont extrêmement sensibles aux interactions avec leur environnement.
Lorsqu’un système quantique échange de l’information avec son environnement, les interférences qui caractérisent sa superposition peuvent progressivement disparaître.
Ce phénomène est appelé décohérence quantique.
Il peut se produire à cause de nombreuses interactions physiques, notamment avec les champs électromagnétiques, les vibrations ou d’autres systèmes microscopiques.
La décohérence ne signifie pas nécessairement que l’état quantique global est détruit. Elle traduit une perte de cohérence observable dans le système étudié, parce que certaines informations se retrouvent réparties dans son environnement.
Le paradoxe du chat de Schrödinger
Pour rappel, le physicien autrichien Erwin Schrödinger a imaginé en 1935 une expérience de pensée devenue célèbre : un chat enfermé dans une boîte, dont le sort dépend d’un événement quantique.
L’objectif de cette expérience était de montrer les difficultés rencontrées lorsqu’on applique directement les principes quantiques aux objets de notre quotidien.
En laboratoire, les scientifiques peuvent aujourd’hui créer des états particuliers appelés états de chat de Schrödinger, ou cat states.
Il ne s’agit évidemment pas de véritables animaux, mais de systèmes physiques préparés dans des superpositions d’états suffisamment différents pour être distingués.
Ces états constituent des outils particulièrement intéressants pour étudier les frontières entre physique quantique et physique classique.
Une expérience qui révèle le passage de la réversibilité à l’irréversibilité
Pour leur expérience, les chercheurs de l’Université de Fuzhou ont utilisé un dispositif de circuits supraconducteurs.
Au centre de l’installation se trouve un résonateur micro-ondes capable de stocker un champ électromagnétique dans un état de superposition quantique.
Ce résonateur est connecté à plusieurs oscillateurs électroniques non linéaires, utilisés comme qubits.
Deux qubits auxiliaires servent à préparer et à mesurer l’état quantique du résonateur. Huit autres qubits peuvent être activés progressivement pour constituer un environnement artificiel contrôlable.
Cette architecture permet aux chercheurs d’étudier précisément les interactions entre un système quantique et son environnement.
Première étape : un environnement composé d’un seul qubit.
Lorsque le résonateur interagit avec ce qubit, les interférences quantiques commencent à disparaître.
L’environnement acquiert alors une information permettant de distinguer les deux composantes de la superposition.
Mais les chercheurs observent un phénomène remarquable : après environ 38 nanosecondes, les interférences réapparaissent presque entièrement.
La cohérence quantique, qui semblait perdue, peut donc être partiellement récupérée grâce à l’évolution naturelle des interactions entre le système et son environnement.
Deuxième étape : augmenter progressivement la complexité de l’environnement.
Les chercheurs répètent l’expérience en faisant intervenir davantage de qubits, jusqu’à huit.
À mesure que leur nombre augmente, le retour des interférences devient moins marqué.
Avec huit qubits environnementaux, les mesures montrent que l’information permettant de distinguer les états de la superposition reste largement présente dans l’environnement.
Les interférences disparaissent alors sans réapparition observable pendant la durée de l’expérience.
Ce résultat révèle une transition progressive entre un comportement réversible et un comportement effectivement irréversible à l’échelle des temps étudiés.
Il ne démontre toutefois pas qu’un retour de cohérence serait absolument impossible à des temps beaucoup plus longs.
Que signifie cette découverte pour l’informatique quantique ?
La décohérence constitue l’un des défis majeurs de l’informatique quantique.
Pour effectuer des calculs fiables, un ordinateur quantique doit préserver suffisamment longtemps les propriétés quantiques de ses qubits.
Or, plus un processeur comporte de composants et d’interactions, plus la maîtrise de son environnement devient complexe.
L’expérience menée en Chine apporte un éclairage important sur cette difficulté.
Elle montre comment la répartition de l’information entre un système quantique et plusieurs éléments de son environnement peut empêcher le retour spontané de sa cohérence.
Avec un environnement simple, les interactions peuvent évoluer de manière à effacer naturellement l’information qui distinguait les états.
Avec un environnement plus complexe, cette information est répartie entre plusieurs composants dont les évolutions ne se synchronisent pas nécessairement.
Le retour simultané de tous ces composants vers une configuration permettant de restaurer les interférences devient alors beaucoup moins probable.
Cette observation contribue à expliquer pourquoi les comportements quantiques sont relativement faciles à mettre en évidence dans des systèmes très contrôlés, mais beaucoup plus difficiles à préserver dans des dispositifs complexes.
Les résultats pourraient également aider les chercheurs à mieux caractériser les erreurs quantiques et à concevoir des stratégies de protection des informations.
Ils présentent notamment un intérêt pour les codes correcteurs d’erreurs quantiques et les architectures exploitant des états de chat de Schrödinger.
Cependant, l’expérience ne propose pas encore une nouvelle méthode permettant de supprimer la décohérence dans les processeurs quantiques.
Son apport est avant tout fondamental : elle permet d’observer et de mesurer un mécanisme qui contribue à rendre la décohérence apparemment irréversible.
Une meilleure compréhension de la frontière entre monde quantique et monde classique
Au-delà des applications informatiques, cette recherche touche à une question fondamentale de la physique.
Pourquoi les objets de notre quotidien ne présentent-ils pas les mêmes comportements quantiques observables que les particules microscopiques ?
Les lois quantiques s’appliquent pourtant à l’ensemble de la matière.
Une partie de la réponse réside dans les interactions permanentes entre les systèmes physiques et leur environnement.
Dans les objets macroscopiques, les informations quantiques se dispersent extrêmement rapidement entre un très grand nombre de degrés de liberté.
Les interférences deviennent alors pratiquement impossibles à observer à l’échelle de l’objet considéré.
L’expérience de Fuzhou permet de reproduire une partie de ce phénomène dans un environnement artificiel dont la complexité peut être augmentée progressivement.
Les chercheurs peuvent ainsi suivre la disparition et l’éventuel retour des interférences, plutôt que de constater uniquement leur perte.
Il s’agit d’un progrès dans l’étude expérimentale du passage entre les comportements quantiques et les comportements classiques.
La décohérence n’explique cependant pas, à elle seule, toutes les questions fondamentales liées à la mesure quantique et à l’apparition d’un résultat unique.
Une avancée fondamentale, mais pas encore une révolution technologique
En observant le passage d’une décohérence réversible à une décohérence apparemment irréversible, les chercheurs chinois apportent une nouvelle démonstration expérimentale du rôle déterminant de l’environnement dans l’évolution des systèmes quantiques.
Leur dispositif montre qu’une cohérence quantique peut réapparaître lorsque l’environnement reste suffisamment simple, mais que cette récupération devient progressivement plus difficile à mesure que les interactions se multiplient.
Cette découverte ne signifie pas que les ordinateurs quantiques deviendront immédiatement plus puissants ou plus stables.
Elle contribue néanmoins à approfondir la compréhension d’un phénomène qui limite aujourd’hui leur développement.
Mieux comprendre comment l’information quantique se disperse constitue une étape essentielle pour apprendre à la protéger.
Sources scientifiques
Publication originale :
Ri-Hua Zheng et collaborateurs, Observation of the Transition from Reversible to Irreversible Decoherence of Mesoscopic Quantum Superpositions, Physical Review Letters, volume 137, article 150201, publié le 5 octobre 2026.
DOI : https://doi.org/10.1103/t2yx-9bqh
Communications scientifiques :
- Université de Fuzhou, College of Physics and Information Engineering, 9 octobre 2026.
- Hefei National Laboratory, 13 octobre 2026.
- Phys.org, Experiment shows when quantum ‘cat’ states stop bouncing back, 23 octobre 2026.
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