Les physiciens utilisent des ordinateurs quantiques pour créer des cristaux temporels


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

La puce Google Sycamore utilisée pour créer un cristal temporel. Crédit : Google Quantum AI

Des efforts considérables sont déployés dans le monde entier pour développer un ordinateur capable d’exploiter la puissance de la physique quantique pour effectuer des calculs d’une complexité sans précédent. Alors que d’énormes obstacles technologiques se dressent encore sur la voie du développement d’un tel ordinateur quantique, premiers prototypes d’aujourd’hui sont encore capables de prouesses remarquables.

Par exemple la création d’une nouvelle phase de la appelée « cristal du temps ». Tout comme la structure d’un cristal se répète dans l’espace, un cristal temporel se répète dans le temps, à l’infini et sans apport d’énergie supplémentaire – comme une horloge qui fonctionne indéfiniment sans piles. L’effort pour faire de cette phase de la matière une réalité était un défi de longue date en théorie et en expérimentation – un défi qui porte enfin ses fruits.

Dans une recherche publiée le 30 novembre dans la nature, une équipe de scientifiques de l’Université de Stanford, de Google Quantum AI, de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes et de l’Université d’Oxford ont détaillé leur production d’un cristal temporel avec le matériel informatique quantique Sycamore de Google.

« Le tableau d’ensemble est que nous voyons les appareils qui seront les quantiques du futur comme des systèmes quantiques complexes indépendants », a déclaré Matteo Ippoliti, chercheur postdoctoral à Stanford et co-auteur principal de l’ouvrage. « Au lieu de calculs, nous utilisons l’ordinateur comme nouvelle plate-forme expérimentale pour reconnaître et reconnaître 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 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 nombreux objets dans un système. (Ces interactions peuvent être bien plus riches que les propriétés des objets individuels.)

« Les temporels sont un exemple frappant d’un nouveau type de phase quantique de la matière hors équilibre », a déclaré Vedika Khemani, professeur adjoint de physique à Stanford et auteur principal de l’étude. « 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 de temps est et n’est pas

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 qui lui donne un coup de pied. La mouche des fruits de la physique est le modèle d’Ising, un outil connu de longue date pour comprendre divers phénomènes physiques – y compris les transitions de phase et le magnétisme – qui consiste en un réseau dans lequel chaque emplacement est occupé par une particule qui peut être dans deux états, présentée comme une rotation vers le haut ou vers le bas.

Khemani, son directeur de doctorat d’alors Shivaji Sondhi, alors à l’Université de Princeton, ainsi qu’Achilleas Lazarides et Roderich Moessner à l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes ont découvert cette recette pour produire par inadvertance des cristaux temporels. Ils ont étudié des systèmes localisés à plusieurs corps hors équilibre – des systèmes dans lesquels les particules peuvent « se bloquer » dans l’état dans lequel elles ont commencé et ne peuvent jamais se détendre dans un état d’équilibre. Ils étaient intéressés par la recherche de phases qui pourraient se développer dans de tels systèmes si elles étaient périodiquement « jetées » par un laser. Non seulement ils ont réussi à trouver des phases stables de non-équilibre, mais aussi une dans laquelle les spins des particules alternaient entre des motifs qui se répètent indéfiniment, avec une deux fois supérieure à la période d’entraînement du laser, créant un cristal temporel.

Le coup de pied périodique du laser crée un certain rythme 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 tours alternent entre deux états et ne terminent un cycle qu’après avoir été frappés deux fois par le laser. 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 – ce qui explique 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 permet aux cristaux de temps.

Le doublement de la période d’oscillation est inhabituel, mais pas sans précédent. Et les vibrations à longue durée de vie sont également répandues 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 présentent ce type de comportement concerté sans énergie entrante ou sortante.

« 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’approvisionnement en énergie, il n’y a pas de retrait d’énergie, et cela continue indéfiniment et contient de nombreuses particules en interaction forte. »

Même si cela ressemble étrangement à une « machine à mouvement perpétuel », un examen plus attentif montre que les cristaux temporels n’enfreignent aucune loi de la physique. L’entropie – une mesure du désordre dans le système – reste stationnaire dans le temps et remplit légèrement la deuxième loi de la thermodynamique en ne diminuant pas.

Entre le développement de ce plan pour un cristal temporel et l’expérience informatique quantique qui l’a transformé en réalité, de nombreuses expériences menées par de nombreuses équipes de recherche différentes ont atteint divers jalons cristallins à temps rapide. Cependant, fournir tous les ingrédients de la recette de la « localisation à plusieurs corps » (phénomène qui permet d’obtenir un cristal temporel infiniment stable) restait un défi de taille.

Pour Khemani et ses collègues, la dernière étape du succès de Crystal 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 appelé qubits.

Un autre cristal de temps dans science ce mois-ci. Ce cristal a été fabriqué par des chercheurs de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas en utilisant des qubits dans un diamant.

Possibilités quantiques

Les chercheurs ont pu confirmer leur affirmation d’un cristal en temps réel grâce aux capacités spéciales de l’ordinateur quantique. Bien que leur expérience ait été limitée en taille et en durée en raison de la taille finie et du temps de cohérence du dispositif quantique (imparfait) – de sorte que les oscillations du cristal au fil du temps ne pouvaient être observées que pendant quelques centaines de cycles au lieu d’indéfiniment – les chercheurs ont développé divers protocoles pour la stabilité de leur formation juge. Cela comprenait 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 analyser ses propres limites», explique Moessner, co-auteur de l’ouvrage et directeur de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes. « Cela nous a essentiellement dit comment corriger vos propres erreurs afin que le comportement cristallin du temps idéal puisse être identifié à partir d’observations en temps fini. »

Une caractéristique clé d’un cristal de temps idéal est qu’il montre des vibrations indéfinies de tous les états. La vérification de cette robustesse par rapport au choix des états était un défi expérimental central, et les chercheurs ont développé un protocole pour examiner plus d’un million d’états de leur cristal temporel en une seule exécution de la machine, ce qui n’a nécessité que quelques millisecondes de temps d’exécution. C’est comme regarder un cristal physique sous plusieurs angles pour examiner sa structure répétitive.

« Une caractéristique unique de notre processeur quantique est sa capacité à générer des états quantiques très complexes », déclare Xiao Mi, chercheur chez Google et co-auteur de l’étude. « Ces états permettent de vérifier efficacement les structures de phase de la matière sans avoir à examiner l’ensemble de l’espace informatique – une tâche autrement insoluble. »

Créer une nouvelle phase de la matière est sans aucun doute passionnant à un niveau fondamental. De plus, le fait que ces chercheurs aient pu le faire indique l’utilité croissante des ordinateurs quantiques pour d’autres usages que l’informatique. « Je suis optimiste sur le fait que notre approche de qubits plus nombreux et meilleurs peut devenir un outil majeur dans l’étude de la dynamique de non-équilibre », a déclaré Pedram Roushan, chercheur chez Google et auteur principal de l’étude.

« Nous pensons que les ordinateurs quantiques sont actuellement les plus excitants utilisés comme plates-formes pour la physique quantique de base », a déclaré Ippoliti. « Avec les capacités uniques de ces systèmes, il y a de l’espoir que vous découvrirez un nouveau phénomène que vous n’aviez pas prévu. »


Utilisation de nouvelles architectures d’informatique quantique pour fabriquer des cristaux de temps


Plus d’information:
Mi, X et al., Ordre d’état propre cristallin temporel sur un processeur quantique, la nature (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w

Fourni par l’Université de Stanford

Citation: Des physiciens créent des cristaux temporels avec des ordinateurs quantiques (2021, 30 novembre), consulté le 30 novembre 2021 sur https://phys.org/news/2021-11-physicists-crystals-quantum.html

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