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Une nouvelle phase étrange de la matière créée dans l’ordinateur quantique agit comme si elle avait deux dimensions temporelles

Le motif de pavage de Penrose est un type de quasi-cristal, ce qui signifie qu’il a une structure ordonnée mais qui ne se répète jamais. Le motif, composé de deux formes, est une projection 2D d’un réseau carré 5D. Crédit : Aucun

En faisant briller une séquence d’impulsions laser inspirée des nombres de Fibonacci sur des atomes à l’intérieur d’un ordinateur quantique, les physiciens ont créé une phase de matière remarquable et jamais vue auparavant. La phase présente les avantages de deux dimensions temporelles bien qu’il n’y ait toujours qu’un seul flux de temps singulier, rapportent les physiciens le 20 juillet à La nature.

Cette propriété époustouflante offre un avantage recherché : les informations stockées dans la phase sont bien mieux protégées contre les erreurs qu’avec les configurations alternatives actuellement utilisées dans les ordinateurs quantiques. En conséquence, les informations peuvent exister sans être brouillées pendant beaucoup plus longtemps, une étape importante pour rendre l’informatique quantique viable, déclare l’auteur principal de l’étude, Philipp Dumitrescu.

L’utilisation par l’approche d’une dimension temporelle “supplémentaire” “est une façon complètement différente de penser les phases de la matière”, explique Dumitrescu, qui a travaillé sur le projet en tant que chercheur au Centre de physique quantique computationnelle du Flatiron Institute à New York. “Je travaille sur ces idées théoriques depuis plus de cinq ans, et les voir se concrétiser dans des expériences est passionnant.”

Dumitrescu a dirigé le volet théorique de l’étude avec Andrew Potter de l’Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, Romain Vasseur de l’Université du Massachusetts à Amherst et Ajesh Kumar de l’Université du Texas à Austin. Les expériences ont été réalisées sur un ordinateur quantique à Quantinuum à Broomfield, Colorado, par une équipe dirigée par Brian Neyenhuis.

Les bêtes de somme de l’ordinateur quantique de l’équipe sont 10 ions atomiques d’un élément appelé ytterbium. Chaque ion est maintenu et contrôlé individuellement par des champs électriques produits par un piège à ions, et peut être manipulé ou mesuré à l’aide d’impulsions laser.

Chacun de ces ions atomiques sert de ce que les scientifiques appellent un bit quantique, ou “qubit”. Alors que les ordinateurs traditionnels quantifient les informations en bits (chacun représentant un 0 ou un 1), les qubits utilisés par les ordinateurs quantiques exploitent l’étrangeté de la mécanique quantique pour stocker encore plus d’informations. Tout comme le chat de Schrödinger est à la fois mort et vivant dans sa boîte, un qubit peut être un 0, un 1 ou un mashup – ou “superposition” – des deux. Cette densité d’informations supplémentaire et la façon dont les qubits interagissent les uns avec les autres promettent de permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes de calcul bien au-delà de la portée des ordinateurs conventionnels.

Il y a cependant un gros problème : tout comme jeter un coup d’œil dans la boîte de Schrödinger scelle le destin du chat, il en va de même pour l’interaction avec un qubit. Et cette interaction n’a même pas besoin d’être délibérée. “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”, explique Dumitrescu. “En pratique, les dispositifs expérimentaux ont de nombreuses sources d’erreur qui peuvent dégrader la cohérence après seulement quelques impulsions laser.”

Le défi consiste donc à rendre les qubits plus robustes. Pour ce faire, les physiciens peuvent utiliser des “symétries”, essentiellement des propriétés qui résistent au changement. (Un flocon de neige, par exemple, a une symétrie de rotation car il a le même aspect lorsqu’il est tourné de 60 degrés.) Une méthode consiste à ajouter une symétrie temporelle en faisant exploser les atomes avec des impulsions laser rythmiques. Cette approche aide, mais Dumitrescu et ses collaborateurs se sont demandé s’ils pouvaient aller plus loin. Ainsi, au lieu d’une seule symétrie temporelle, ils visaient à en ajouter deux en utilisant des impulsions laser ordonnées mais non répétitives.

Une nouvelle phase étrange de la matière créée dans l'ordinateur quantique agit comme si elle avait deux dimensions temporelles

Dans cet ordinateur quantique, les physiciens ont créé une phase de matière inédite qui agit comme si le temps avait deux dimensions. La phase pourrait aider à protéger les informations quantiques de la destruction bien plus longtemps que les méthodes actuelles. Crédit : Quantinuum

La meilleure façon de comprendre leur approche est de considérer quelque chose d’autre d’ordonné mais non répétitif : les “quasicristaux”. Un cristal typique a une structure régulière et répétitive, comme les hexagones dans un nid d’abeilles. Un quasi-cristal a toujours de l’ordre, mais ses motifs ne se répètent jamais. (Le carrelage de Penrose en est un exemple.) Encore plus époustouflant, les quasi-cristaux sont des cristaux de dimensions supérieures projetés, ou écrasés, dans des dimensions inférieures. Ces dimensions supérieures peuvent même dépasser les trois dimensions de l’espace physique : un pavage de Penrose 2D, par exemple, est une tranche projetée d’un réseau 5-D.

Pour les qubits, Dumitrescu, Vasseur et Potter ont proposé en 2018 la création d’un quasi-cristal dans le temps plutôt que dans l’espace. Alors qu’une impulsion laser périodique alternerait (A, B, A, B, A, B, etc.), les chercheurs ont créé un régime d’impulsion laser quasi-périodique basé sur la séquence de Fibonacci. Dans une telle séquence, chaque partie de la séquence est la somme des deux parties précédentes (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.). Cet arrangement, tout comme un quasi-cristal, est ordonné sans répétition. Et, semblable à un quasi-cristal, c’est un motif 2D écrasé en une seule dimension. Cet aplatissement dimensionnel se traduit théoriquement par deux symétries temporelles au lieu d’une seule : le système obtient essentiellement une symétrie supplémentaire à partir d’une dimension temporelle supplémentaire inexistante.

Les ordinateurs quantiques réels sont des systèmes expérimentaux incroyablement complexes, cependant, il n’a pas été prouvé si les avantages promis par la théorie perdureraient dans les qubits du monde réel.

À l’aide de l’ordinateur quantique de Quantinuum, les expérientiels ont mis la théorie à l’épreuve. Ils ont pulsé la lumière laser sur les qubits de l’ordinateur à la fois périodiquement et en utilisant la séquence basée sur les nombres de Fibonacci. L’accent était mis sur les qubits à chaque extrémité de la gamme de 10 atomes; c’est là que les chercheurs s’attendaient à voir la nouvelle phase de la matière éprouver deux symétries temporelles à la fois. Lors du test périodique, les qubits périphériques sont restés quantiques pendant environ 1,5 seconde, une durée déjà impressionnante étant donné que les qubits interagissaient fortement les uns avec les autres. Avec le modèle quasi-périodique, les qubits sont restés quantiques pendant toute la durée de l’expérience, environ 5,5 secondes. C’est parce que la symétrie temporelle supplémentaire offrait plus de protection, explique Dumitrescu.

“Avec cette séquence quasi-périodique, il y a une évolution compliquée qui annule toutes les erreurs qui vivent à la périphérie”, dit-il. “A cause de cela, le bord reste cohérent sur le plan de la mécanique quantique beaucoup, beaucoup plus longtemps que prévu.”

Bien que les résultats démontrent que la nouvelle phase de la matière peut agir comme stockage d’informations quantiques à long terme, les chercheurs doivent encore intégrer fonctionnellement la phase avec le côté informatique de l’informatique quantique. “Nous avons cette application directe et alléchante, mais nous devons trouver un moyen de l’intégrer dans les calculs”, déclare Dumitrescu. “C’est un problème ouvert sur lequel nous travaillons.”


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Plus d’information:
Philipp Dumitrescu, Phase topologique dynamique réalisée dans un simulateur quantique à ions piégés, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04853-4. www.nature.com/articles/s41586-022-04853-4

Fourni par la Fondation Simons

Citation: Une nouvelle phase étrange de la matière créée dans l’ordinateur quantique agit comme si elle avait deux dimensions temporelles (20 juillet 2022) récupéré le 20 juillet 2022 sur https://phys.org/news/2022-07-strange-phase-quantum-dimensions. html

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