Un effort mondial considérable est déployé pour concevoir un ordinateur capable d’exploiter la puissance de la physique quantique pour effectuer des calculs d’une complexité sans précédent. Bien que de formidables obstacles technologiques s’opposent encore à la création d’un tel ordinateur quantique, les premiers prototypes actuels sont encore capables d’exploits remarquables.
Le Cristal Temporel
Par exemple, la création d’une nouvelle phase de la matière appelée « cristal temporel ». Tout comme la structure d’un cristal se répète dans l’espace, un cristal de temps se répète dans le temps et, surtout, le fait à l’infini et sans apport d’énergie supplémentaire – comme une horloge qui fonctionne à l’infini sans pile. La réalisation de cette phase de la matière est un défi de longue date, tant sur le plan théorique qu’expérimental, qui vient enfin d’aboutir.
Dans une étude publiée le 30 novembre dans Nature, une équipe de scientifiques de l’université de Stanford, de Google Quantum AI, de l’Institut Max Planck de physique des systèmes complexes et de l’université d’Oxford détaille la création d’un cristal temporel à l’aide du matériel d’informatique quantique Sycamore de Google.
« L’idée générale est que nous prenons les appareils qui sont censés être les ordinateurs quantiques du futur et que nous les considérons comme des systèmes quantiques complexes à part entière », a déclaré Matteo Ippoliti, chercheur postdoctoral à Stanford et co-auteur principal de ces travaux. « Au lieu de calculer, nous utilisons l’ordinateur comme une nouvelle plateforme expérimentale pour réaliser et détecter de nouvelles phases de la matière. »
Pour l’équipe, l’excitation de leur réalisation ne réside pas seulement dans la création d’une nouvelle phase de la matière, mais aussi dans l’ouverture de possibilités d’explorer de nouveaux régimes dans leur domaine de la physique de la matière condensée, qui étudie les phénomènes et propriétés inédits engendrés par les interactions collectives de nombreux 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 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 à l’équilibre, ces nouveaux dispositifs quantiques nous offrent une fenêtre fascinante sur de nouveaux régimes de non-équilibre dans la physique des corps multiples. »
Ce qu’est et n’est pas un cristal de temps
Les ingrédients de base pour fabriquer ce cristal temporel sont les suivants : L’équivalent physique d’une mouche à fruits et quelque chose pour lui donner un coup de pouce. La mouche du coche de la physique est le modèle d’Ising, un outil de longue date permettant de comprendre divers phénomènes physiques, notamment les transitions de phase et le magnétisme, qui consiste en un réseau dont chaque site est occupé par une particule pouvant se trouver dans deux états, représentés par un spin haut ou bas.
Au cours de ses études supérieures, Mme Khemani, son directeur de thèse, Shivaji Sondhi, alors à l’université de Princeton, ainsi qu’Achilleas Lazarides et Roderich Moessner, de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes, sont tombés sur cette recette de fabrication de cristaux temporels sans le vouloir. Ils étudiaient des systèmes localisés à corps multiples hors équilibre, c’est-à-dire des systèmes où les particules restent « coincées » dans l’état dans lequel elles ont commencé et ne peuvent jamais se relaxer vers un état d’équilibre. Ils souhaitaient explorer les phases qui pourraient se développer dans de tels systèmes lorsqu’ils sont périodiquement « secoués » par un laser. Non seulement ils ont réussi à trouver des phases de non-équilibre stables, mais ils en ont trouvé une où les spins des particules basculent entre des motifs qui se répètent dans le temps à l’infini, à une période double de la période de commande du laser, créant ainsi un cristal de temps.
L’impulsion périodique du laser établit un rythme spécifique à la dynamique. Normalement, la « danse » des spins devrait se synchroniser avec ce rythme, mais dans un cristal temporel, ce n’est pas le cas. Au lieu de cela, les spins passent d’un état à l’autre et n’achèvent un cycle qu’après avoir été frappés deux fois par le laser. Cela signifie que la « symétrie de translation temporelle » du système est brisée. Les symétries jouent un rôle fondamental en physique et sont souvent brisées, ce qui explique l’origine des cristaux réguliers, des aimants et de nombreux autres phénomènes. Toutefois, la symétrie de translation temporelle se distingue des autres symétries par le fait qu’elle ne peut pas être brisée à l’équilibre. Le coup de pied périodique est une faille qui rend les cristaux de temps possibles.
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 composé de millions de choses qui présentent ce type de comportement concerté sans qu’aucune énergie n’y entre ou n’en sorte.
« Il s’agit d’une phase de la matière complètement robuste, où les paramètres ou les états ne sont pas réglés avec précision, mais où le système reste quantique », a déclaré M. Sondhi, professeur de physique à Oxford et co-auteur de l’article. « Il n’y a pas d’apport d’énergie, il n’y a pas d’évacuation d’énergie, et cela continue indéfiniment et implique de nombreuses particules en forte interaction. »
Bien que cela puisse sembler suspicieusement 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 projet de cristal temporel et l’expérience d’ordinateur quantique qui l’a concrétisé, de nombreuses expériences menées par de nombreuses équipes de chercheurs ont permis d’atteindre divers jalons en matière de cristal temporel. Cependant, fournir tous les ingrédients de la recette de la « localisation de nombreux corps » (le phénomène qui permet d’obtenir un cristal de temps infiniment stable) était resté un défi à relever.
Pour Khemani et ses collaborateurs, l’étape finale vers le succès du cristal de temps a été de travailler avec une équipe de Google Quantum AI. Ensemble, ce groupe a utilisé le matériel de calcul 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 actuellement 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.
Des possibilités quantiques
Les chercheurs ont pu confirmer leur affirmation d’un véritable cristal de temps grâce aux capacités spéciales de l’ordinateur quantique. Bien que la taille et le temps de cohérence finis du dispositif quantique (imparfait) aient limité la taille et la durée de leur expérience – de sorte que les oscillations du cristal de temps n’ont pu être observées que pendant quelques centaines de cycles plutôt qu’indéfiniment – les chercheurs ont conçu divers protocoles pour évaluer la stabilité de leur création. Ils ont notamment fait tourner la simulation en avant et en arrière dans le temps et en ont modifié la 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 pour la physique des systèmes complexes. « Il nous a essentiellement indiqué comment corriger ses propres erreurs, de sorte que l’empreinte du comportement du cristal temporel idéal puisse être déterminée à partir d’observations en temps fini. »
Une signature clé d’un cristal temporel idéal est qu’il présente des oscillations indéfinies à partir de tous les états. Vérifier cette robustesse au choix des états était un défi expérimental majeur, et les chercheurs ont conçu un protocole pour sonder plus d’un million d’états de leur cristal de temps en une seule exécution de la machine, ne nécessitant que quelques millisecondes de temps d’exécution. Cela revient à observer un cristal physique sous de nombreux 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 de vérifier efficacement les structures de phase de la matière sans avoir besoin d’étudier l’ensemble de l’espace de calcul — une tâche autrement insoluble. »
Créer une nouvelle phase de la matière est incontestablement passionnant à un niveau fondamental. En outre, le fait que ces chercheurs aient pu le faire laisse entrevoir l’utilité croissante des ordinateurs quantiques pour des applications autres que l’informatique. « Je suis optimiste quant au fait qu’avec des qubits plus nombreux et de meilleure qualité, notre approche peut devenir une méthode principale dans l’étude de 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 passionnante des ordinateurs quantiques à l’heure actuelle est celle de plateformes pour la physique quantique fondamentale », a déclaré Ippoliti. « Grâce aux capacités uniques de ces systèmes, on peut espérer découvrir un nouveau phénomène que l’on n’avait pas prévu. »
Ces travaux ont été menés par l’université de Stanford, Google Quantum AI, l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes et l’université d’Oxford. La liste complète des auteurs est disponible dans l’article de Nature.
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