Imaginez un instant que vous vouliez rafraîchir une bouteille de rosé un soir d’été. Vous la glissez au congélateur, et il vous faut patienter. Le refroidissement, dans notre monde quotidien, prend toujours du temps. Mais que se passerait-il si l’on pouvait atteindre le froid absolu, ou presque, en un battement de cils ?

C’est précisément le tour de force qu’une équipe de chercheurs vient de réaliser en concevant un réfrigérateur quantique d’un genre totalement inédit. Loin des lois familières de la thermodynamique classique, cet appareil microscopique refroidit un qubit supraconducteur jusqu’à 22 millikelvin — soit un cheveu au-dessus du zéro absolu — avec une probabilité d’état fondamental de 99,97 %, alimenté uniquement par la chaleur de l’environnement, sans aucun contrôle externe.

Une avancée publiée en janvier 2025 dans Nature Physics par des chercheurs de Chalmers University of Technology (Suède) et de l’Université du Maryland, qui pourrait bien changer la donne pour tout un pan de la technologie de demain.

Quand le froid classique atteint son mur infranchissable

Dans notre monde, refroidir un objet consiste simplement à lui retirer de la chaleur, c’est-à-dire à calmer l’agitation frénétique de ses atomes. Plus on descend en température, plus cette agitation diminue. La physique classique, celle des frigos de nos cuisines, sait très bien faire cela, mais elle se heurte à une limite fondamentale. Approcher le fameux zéro absolu, soit environ -273,15 °C, relève d’un défi colossal. Chaque fraction de degré gagnée demande des efforts démesurés, comme si l’on tentait de vider un océan avec une petite cuillère.

Le problème devient encore plus épineux lorsqu’il s’agit de refroidir des composants destinés aux ordinateurs quantiques. Ces machines exigent un silence thermique quasi parfait pour fonctionner. Or, les méthodes traditionnelles atteignent un plafond : elles peinent à extraire les dernières miettes de chaleur résiduelle. C’est un peu comme essayer d’obtenir un silence total dans une salle de concert : on peut baisser le volume, mais un léger bourdonnement persiste toujours. C’est précisément ce bourdonnement que le quantique se propose d’éliminer.

Dans les coulisses d’un frigo qui joue avec les lois quantiques

Le principe de ce réfrigérateur d’un nouveau genre repose sur des qubits supraconducteurs, ces minuscules briques de base qui font battre le cœur des ordinateurs quantiques. Habituellement utilisés pour stocker et manipuler l’information, ils jouent ici un tout autre rôle : celui de pompes à chaleur d’une précision inégalée. Ces qubits sont mis au service du refroidissement d’un résonateur supraconducteur, un composant que l’on peut comparer à une corde de guitare vibrant à l’échelle de l’infiniment petit.

L’astuce consiste à orchestrer un ballet subtil entre les qubits et ce résonateur. En manipulant finement les états quantiques, les chercheurs parviennent à aspirer littéralement l’énergie thermique du résonateur pour l’évacuer ailleurs. L’objectif ultime : atteindre ce que les physiciens appellent l’état fondamental, soit le niveau d’énergie le plus bas possible, celui où la vibration devient pratiquement nulle. Un état d’immobilité absolue que la nature répugne normalement à offrir.

Un état fondamental atteint à une vitesse qui défie les records

Le véritable exploit ne réside pas seulement dans le fait d’atteindre cet état fondamental, mais dans la rapidité avec laquelle il est obtenu. Là où les approches classiques nécessiteraient un temps considérable pour approcher un tel niveau de calme, ce frigo quantique y parvient en un temps record. C’est comme si notre bouteille de rosé passait de la température ambiante à un froid glacial en une fraction de seconde, sans passer par les longues heures d’attente habituelles.

Cette vitesse fulgurante change tout. En refroidissant le résonateur presque instantanément, on limite le temps pendant lequel des perturbations extérieures peuvent venir troubler le système. C’est là que réside la beauté de la chose : ce réfrigérateur ne se contente pas de faire mieux que la physique classique, il ouvre une voie que celle-ci ne pouvait même pas emprunter. Le quantique ne triche pas avec les lois de la nature, il les exploite avec une élégance redoutable.

Ce que ce refroidissement éclair change pour l’avenir du quantique

Les retombées de cette prouesse dépassent largement le cadre du laboratoire. En informatique quantique, la stabilité est le nerf de la guerre. Les qubits sont d’une fragilité extrême : la moindre agitation thermique peut effacer l’information qu’ils portent, un phénomène redouté que l’on nomme la décohérence. Disposer d’une méthode capable de ramener rapidement un composant à son état le plus calme, c’est offrir aux machines quantiques un environnement bien plus sain pour travailler.

Concrètement, cela pourrait se traduire par des calculateurs plus stables, plus rapides et bien plus performants. La possibilité de réinitialiser un système en un temps record permettrait d’enchaîner les opérations sans attendre, un atout majeur pour construire des ordinateurs quantiques réellement exploitables. Cette technologie pourrait aussi trouver sa place dans des capteurs ultra-sensibles ou dans l’étude des phénomènes les plus subtils de la matière.

En repoussant ainsi les frontières du refroidissement, ce réfrigérateur quantique nous rappelle que l’infiniment petit recèle encore des trésors d’ingéniosité. Ce qui semblait relever de l’utopie théorique devient aujourd’hui une réalité de laboratoire, avec la promesse de bouleverser notre rapport à la technologie. Alors, jusqu’où le quantique pourra-t-il encore nous surprendre, lui qui semble prendre un malin plaisir à contourner les limites que la physique classique croyait gravées dans le marbre ?

Source : Aamir M.A., Jamet Suria P., Marín Guzmán J.A. et al. — « Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets a superconducting qubit » — Nature Physics, vol. 21, p. 318-323, janvier 2025