Des physiciens de Stanford aident à créer des cristaux temporels avec des ordinateurs quantiques

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Il y a un énorme effort mondial pour concevoir un ordinateur capable d’exploiter la puissance de la physique quantique pour effectuer des calculs d’une complexité sans précédent. Alors que de formidables obstacles technologiques s’opposent encore à la création d’un tel ordinateur quantique, les premiers prototypes d’aujourd’hui sont encore capables de prouesses remarquables. Par exemple, la création d’une nouvelle phase de matière appelée «cristal du temporel».


Sycamore, la puce de Google  utilisée dans la création d’un cristal temporel. (Crédit image : Google Quantum AI).

Tout comme la structure d’un cristal se répète dans l’espace, un cristal temporel se répète dans le temps et, surtout, le fait à l’infini et sans autre apport d’énergie – comme une horloge qui fonctionne indéfiniment sans aucune pile. La quête pour réaliser cette phase de la matière a été un défi de longue date en théorie et en expérimentation – un défi qui a finalement porté ses fruits. Dans une recherche publiée le 30 novembre dans Nature, une équipe de scientifiques de l’Université de Stanford, de Google Quantum AI, du Max Planck Institute for Physics of Complex Systems et de l’Université d’Oxford détaillent leur création d’un cristal temporel à l’aide du matériel informatique quantique Sycamore de Google.

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“Le tableau d’ensemble est que nous prenons les appareils qui sont censés être les ordinateurs quantiques du futur et les considérons comme des systèmes quantiques complexes à part entière”, a déclaré Matteo Ippoliti, chercheur postdoctoral à Stanford et co-auteur principal. du travail. “Au lieu du calcul, nous utilisons l’ordinateur comme une nouvelle plate-forme expérimentale pour réaliser et détecter de nouvelles phases de la matière”.

Pour l’équipe, l’excitation de leur réalisation réside non seulement dans la création d’une nouvelle phase de la matière, mais aussi dans l’ouverture d’opportunités pour explorer de nouveaux régimes dans leur domaine de la physique de la matière condensée, qui étudie les nouveaux phénomènes et propriétés induits par les interactions collectives de plusieurs objets dans un système (Ces interactions peuvent être bien plus riches que les propriétés des objets individuels).

“Les cristaux temporels sont un exemple frappant d’un nouveau type de phase quantique de la matière hors d’équilibre”, a déclaré Vedika Khemani, professeur adjoint de physique à Stanford et auteur principal de l’article. “Alors qu’une grande partie de notre compréhension de la physique de la matière condensée est basée sur des systèmes d’équilibre, ces nouveaux dispositifs quantiques nous offrent une fenêtre fascinante sur de nouveaux régimes de non-équilibre dans la physique à N corps”.

Quel cristal temporel est et n’est pas

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Les ingrédients de base pour faire de ce cristal de temps sont les suivants : L’équivalent physique d’une mouche des fruits et quelque chose pour lui donner un coup de pied. La mouche des fruits de la physique est le modèle d’Ising, un outil de longue date pour comprendre divers phénomènes physiques – y compris les transitions de phase et le magnétisme – qui consiste en un réseau où chaque site est occupé par une particule qui peut être dans deux états, représentée comme un spin vers le haut ou vers le bas.

Au cours de ses années d’études supérieures, Khemani, son directeur de doctorat Shivaji Sondhi, alors à l’Université de Princeton, et Achilleas Lazarides et Roderich Moessner de l’Institut Max Planck de physique des systèmes complexes sont tombés sur cette recette pour fabriquer involontairement des cristaux de temps. Ils étudiaient les systèmes localisés à N corps hors d’équilibre – des systèmes où les particules restent «coincées» dans l’état dans lequel elles ont commencé et ne peuvent jamais se détendre jusqu’à un état d’équilibre. Ils étaient intéressés à explorer les phases qui pourraient se développer dans de tels systèmes lorsqu’ils sont périodiquement «coupés» par un laser. Non seulement ils ont réussi à trouver des phases stables de non-équilibre, mais ils en ont trouvé une où les spins des particules ont basculé entre des motifs qui se répètent dans le temps pour toujours, à une période deux fois supérieure à la période d’entraînement du laser, créant ainsi un cristal temporel.

Le coup périodique du laser établit un rythme spécifique à la dynamique. Normalement, la “danse” des tours devrait se synchroniser avec ce rythme, mais dans un cristal temporel, ce n’est pas le cas. Au lieu de cela, les spins basculent entre deux états, complétant un cycle seulement après avoir été frappés par le laser deux fois. Cela signifie que la «symétrie de traduction temporelle» du système est rompue. Les symétries jouent un rôle fondamental en physique, et elles sont souvent brisées – expliquant les origines des cristaux réguliers, des aimants et de nombreux autres phénomènes ; cependant, la symétrie de translation temporelle se démarque car contrairement à d’autres symétries, elle ne peut pas être rompue en équilibre. Le coup de pied périodique est une échappatoire qui rend possible les cristaux de temps.

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Le doublement de la période d’oscillation est inhabituel, mais pas sans précédent. Et les oscillations à longue durée de vie sont également très courantes dans la dynamique quantique des systèmes à quelques particules. Ce qui rend un cristal temporel unique, c’est qu’il s’agit d’un système de millions de choses qui montrent ce genre de comportement concerté sans qu’aucune énergie n’entre ou ne s’échappe. “C’est une phase complètement robuste de la matière, où vous n’affinez pas les paramètres ou les états mais votre système est toujours quantique”, a déclaré Sondhi, professeur de physique à Oxford et co-auteur de l’article. “Il n’y a pas d’alimentation en énergie, il n’y a pas de fuite d’énergie, et cela continue pour toujours et cela implique de nombreuses particules en interaction forte”.

Bien que cela puisse sembler étrangement proche d’une «machine à mouvement perpétuel», un examen plus approfondi révèle que les cristaux de temps n’enfreignent aucune loi de la physique. L’entropie – une mesure du désordre dans le système – reste stationnaire dans le temps, satisfaisant marginalement la deuxième loi de la thermodynamique en ne diminuant pas. Entre l’élaboration de ce plan pour un cristal temporel et l’expérience sur ordinateur quantique qui l’a concrétisé, de nombreuses expériences menées par de nombreuses équipes de chercheurs différentes ont atteint divers jalons presque temporels. Cependant, fournir tous les ingrédients de la recette de «Many-Body Localization (MBL)» (le phénomène qui permet un cristal temporel infiniment stable) était resté un défi de taille.

Pour Khemani et ses collaborateurs, la dernière étape vers le succès cristallisé consistait à travailler avec une équipe de Google Quantum AI. Ensemble, ce groupe a utilisé le matériel informatique quantique Sycamore de Google pour programmer 20 «spins» en utilisant la version quantique des bits d’information d’un ordinateur classique, appelés qubits. Révélant à quel point l’intérêt pour les cristaux de temps est intense, un autre cristal de temps a été publié dans Science ce mois-ci. Ce cristal a été créé à l’aide de qubits dans un diamant par des chercheurs de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas.

Opportunités quantiques

Les chercheurs ont pu confirmer leur affirmation d’un véritable cristal temporel grâce aux capacités spéciales de l’ordinateur quantique. Bien que la taille finie et le temps de cohérence du dispositif quantique (imparfait) signifiaient que leur expérience était limitée en taille et en durée – de sorte que les oscillations cristallines du temps ne pouvaient être observées que pendant quelques centaines de cycles plutôt qu’indéfiniment – les chercheurs ont conçu divers protocoles pour évaluer la stabilité de leur création. Celles-ci comprenaient l’exécution de la simulation en avant et en arrière dans le temps et la mise à l’échelle de sa taille.

“Nous avons réussi à utiliser la polyvalence de l’ordinateur quantique pour nous aider à analyser ses propres limites”, a déclaré Moessner, co-auteur de l’article et directeur de l’Institut Max Planck de physique des systèmes complexes. “Il nous a essentiellement dit comment corriger ses propres erreurs, de sorte que l’empreinte du comportement cristallin du temps idéal puisse être déterminée à partir d’observations en temps fini”.

Une signature clé d’un cristal temporel idéal est qu’il montre des oscillations indéfinies de tous les états. La vérification de cette robustesse au choix des états était un défi expérimental clé, et les chercheurs ont conçu un protocole pour sonder plus d’un million d’états de leur cristal temporel en une seule exécution de la machine, ne nécessitant que quelques millisecondes d’exécution. C’est comme regarder un cristal physique sous plusieurs angles pour vérifier sa structure répétitive.

“Une caractéristique unique de notre processeur quantique est sa capacité à créer des états quantiques très complexes”, a déclaré Xiao Mi, chercheur chez Google et co-auteur principal de l’article. “Ces états permettent aux structures de phase de la matière d’être vérifiées efficacement sans avoir besoin d’étudier l’ensemble de l’espace de calcul – une tâche autrement inextricable”.

Créer une nouvelle phase de la matière est incontestablement passionnant à un niveau fondamental. De plus, le fait que ces chercheurs aient pu le faire montre l’utilité croissante des ordinateurs quantiques pour des applications autres que l’informatique. “Je suis optimiste qu’avec des qubits plus nombreux et de meilleure qualité, notre approche peut devenir une méthode principale pour étudier la dynamique de non-équilibre”, a déclaré Pedram Roushan, chercheur chez Google et auteur principal de l’article.

“Nous pensons que l’utilisation la plus excitante des ordinateurs quantiques à l’heure actuelle est celle de plates-formes pour la physique quantique fondamentale”, a déclaré Ippoliti. “Avec les capacités uniques de ces systèmes, il y a de l’espoir que vous puissiez découvrir un nouveau phénomène que vous n’aviez pas prévu”.

Voir la publication

Mi, X., Ippoliti, M., Quintana, C. et al. Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor. Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-04257-w

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