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Cette étrange nouvelle phase de la matière semble occuper 2 dimensions temporelles

Une nouvelle phase de la matière a été observée dans un ordinateur quantique après que les physiciens ont pulsé de la lumière sur ses qubits selon un schéma inspiré de la séquence de Fibonacci.

Si vous pensez que c’est ahurissant, cette étrange bizarrerie de la mécanique quantique se comporte comme si elle avait deux dimensions temporelles, au lieu d’une seule ; un trait qui, selon les scientifiques, rend les qubits plus robustes, capables de rester stables pendant toute la durée de l’expérience.

Cette stabilité est appelée cohérence quantique, et c’est l’un des principaux objectifs d’un ordinateur quantique sans erreur – et l’un des plus difficiles à atteindre.

Le travail représente “une façon complètement différente de penser les phases de la matière”, selon le physicien quantique computationnel Philipp Dumitrescu du Flatiron Institute, auteur principal d’un nouvel article décrivant le phénomène.

“Je travaille sur ces idées théoriques depuis plus de cinq ans, et les voir se concrétiser dans des expériences est passionnant.”

L’informatique quantique est basée sur les qubits, l’équivalent quantique des bits informatiques. Cependant, lorsque les bits traitent les informations dans l’un des deux états, un 1 ou un 0, les qubits peuvent être les deux simultanément, un état connu sous le nom de superposition quantique.

La nature mathématique de cette superposition peut être incroyablement puissante d’un point de vue informatique, ce qui simplifie la résolution de problèmes dans les bonnes circonstances.

Mais la nature floue et instable d’une série de qubits dépend également de la relation entre leurs états indécis – une relation appelée intrication.

Frustrant, les qubits peuvent s’emmêler avec à peu près n’importe quoi dans leur environnement, introduisant des erreurs. Plus l’état flou d’un qubit est délicat (ou plus il y a de chaos dans son environnement), plus il risque de perdre cette cohérence.

Améliorer la cohérence jusqu’au point de viabilité est probablement une approche multi-tactique pour éliminer un obstacle important qui se dresse sur le chemin d’un ordinateur quantique fonctionnel – chaque petit geste fait une différence.

“Même si vous gardez tous les atomes sous contrôle strict, ils peuvent perdre leur quantum en parlant à leur environnement, en s’échauffant ou en interagissant avec des choses d’une manière que vous n’aviez pas prévue”, a expliqué Dumitrescu.

“En pratique, les dispositifs expérimentaux ont de nombreuses sources d’erreur qui peuvent dégrader la cohérence après seulement quelques impulsions laser.”

Imposer une symétrie peut être un moyen de protéger les qubits de la décohérence. Faites pivoter un vieux carré uni de quatre-vingt-dix degrés, et il a toujours la même forme. Cette symétrie le protège de certains effets de rotation.

Taper des qubits avec des impulsions laser régulièrement espacées garantit une symétrie basée non pas sur l’espace, mais sur le temps. Dumitrescu et ses collègues ont voulu savoir s’ils pouvaient amplifier cet effet en ajoutant, non pas une périodicité symétrique, mais une quasi-périodicité asymétrique.

Ceci, ont-ils théorisé, ajouterait non pas une symétrie temporelle, mais deux; l’un effectivement enfoui dans l’autre.

L’idée était basée sur des travaux antérieurs de l’équipe qui proposait la création de quelque chose appelé un quasi-cristal dans le temps, plutôt que dans l’espace. Là où un cristal est constitué d’un réseau symétrique d’atomes qui se répète dans l’espace, comme un gymnase de jungle à grille carrée ou un nid d’abeilles, le motif d’atomes sur un quasi-cristal est non répétitif, comme un carrelage de Penrose, mais toujours ordonné.

L’équipe a mené son expérience sur un ordinateur quantique commercial de pointe conçu par Quantinuum, une société d’informatique quantique. Cette bête emploie pour ses qubits 10 atomes d’ytterbium (l’un des éléments de prédilection des horloges atomiques). Ces atomes sont maintenus dans un piège à ions électrique, à partir duquel des impulsions laser peuvent être utilisées pour les contrôler ou les mesurer.

Dumitrescu et ses collègues ont créé une séquence d’impulsions laser basée sur les nombres de Fibonacci, où chaque segment est la somme des deux segments précédents. Il en résulte une séquence ordonnée, mais qui ne se répète pas, tout comme un quasi-cristal.

Les quasi-cristaux peuvent être mathématiquement décrits comme des segments de dimension inférieure de réseaux de dimension supérieure. Un pavage de Penrose peut être décrit comme une tranche bidimensionnelle d’un hypercube à cinq dimensions.

De la même manière, les impulsions laser de l’équipe peuvent être décrites comme une représentation unidimensionnelle d’un motif bidimensionnel. Théoriquement, cela signifiait qu’il pouvait potentiellement imposer deux symétries temporelles aux qubits.

L’équipe a testé son travail en faisant clignoter des lasers sur le réseau de qubits d’ytterbium, d’abord dans une séquence symétrique, puis de manière quasi périodique. Ils ont ensuite mesuré la cohérence des deux qubits à chaque extrémité du piège.

Pour la séquence périodique, les qubits étaient stables pendant 1,5 seconde. Pour la séquence quasi-périodique, ils sont restés stables pendant 5,5 secondes – la durée de l’expérience.

La symétrie temporelle supplémentaire, ont déclaré les chercheurs, a ajouté une autre couche de protection contre la décohérence quantique.

“Avec cette séquence quasi-périodique, il y a une évolution compliquée qui annule toutes les erreurs qui vivent sur le bord”, a déclaré Dumitrescu.

“A cause de cela, le bord reste cohérent sur le plan de la mécanique quantique beaucoup, beaucoup plus longtemps que prévu.”

Le travail n’est pas près d’être prêt pour l’intégration dans des ordinateurs quantiques fonctionnels, mais il représente une étape importante vers cet objectif, ont déclaré les chercheurs.

La recherche a été publiée dans La nature.

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