INTRODUCTION AUX ORDINATEURS QUANTIQUES
Changement éternel pour pas d’énergie : un cristal temporel enfin devenu réel.
Comme une machine à mouvement perpétuel, un cristal temporel passe indéfiniment d’un état à l’autre sans consommer d’énergie. Les physiciens prétendent avoir construit cette nouvelle phase de la matière à l’intérieur d’un ordinateur quantique.
Dans une prépublication publiée en ligne jeudi soir, des chercheurs de Google en collaboration avec des physiciens de Stanford, Princeton et d’autres universités affirment avoir utilisé l’ordinateur quantique de Google pour démontrer pour la première fois un véritable “cristal temporel”.
Une nouvelle phase de la matière que les physiciens se sont efforcés de réaliser depuis de nombreuses années, un cristal temporel est un objet dont les parties se déplacent selon un cycle régulier et répété, soutenant ce changement constant sans brûler aucune énergie.
« La conséquence est incroyable : vous échappez à la deuxième loi de la thermodynamique », a déclaré le co-auteur Roderich Moessner, directeur de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, en Allemagne. C’est la loi qui dit que le désordre augmente toujours.
Les cristaux temporels sont également les premiers objets à briser spontanément la « symétrie de traduction temporelle », la règle habituelle selon laquelle un objet stable restera le même dans le temps. Un cristal temporel est à la fois stable et en constante évolution, avec des moments spéciaux qui surviennent à des intervalles périodiques dans le temps.
Le cristal temporel est une nouvelle catégorie de phases de la matière, élargissant la définition de ce qu’est une phase. Toutes les autres phases connues, comme l’eau ou la glace, sont en équilibre thermique : leurs atomes constitutifs se sont installés dans l’état avec l’énergie la plus faible permise par la température ambiante, et leurs propriétés ne changent pas avec le temps. Le cristal temporel est la première phase « hors d’équilibre » : il a un ordre et une stabilité parfaite bien qu’il soit dans un état excité et évolutif.
“C’est juste cet espace complètement nouveau et passionnant dans lequel nous travaillons maintenant”, a déclaré Vedika Khemani, une physicienne de la matière condensée maintenant à Stanford qui a co-découvert la nouvelle phase alors qu’elle était étudiante diplômée et co-auteur du nouvel article. .
Khemani, Moessner, Shivaji Sondhi de Princeton et Achilleas Lazarides de l’Université de Loughborough au Royaume-Uni ont découvert la possibilité de la phase et ont décrit ses propriétés clés en 2015 ; un groupe rival de physiciens dirigé par Chetan Nayak de Microsoft Station Q et l’Université de Californie à Santa Barbara l’a identifié comme un cristal temporel peu de temps après.
Les chercheurs se sont précipités pour créer un cristal temporel au cours des cinq dernières années, mais les démos précédentes, bien que réussies à leurs propres conditions, n’ont pas réussi à satisfaire tous les critères nécessaires pour établir l’existence du cristal temporel. “Il y a de bonnes raisons de penser qu’aucune de ces expériences n’a complètement réussi, et un ordinateur quantique comme celui de [Google] serait particulièrement bien placé pour faire bien mieux que ces expériences précédentes”, a déclaré John Chalker, physicien de la matière condensée à l’Université de Oxford qui n’était pas impliqué dans le nouveau travail.
L’équipe d’informatique quantique de Google a fait la une des journaux en 2019 lorsqu’elle a effectué le tout premier calcul que les ordinateurs ordinaires n’étaient pas censés être capables de faire dans un laps de temps pratique. Pourtant, cette tâche était conçue pour montrer une accélération et n’avait aucun intérêt inhérent. La nouvelle démo du cristal temporel marque l’une des premières fois qu’un ordinateur quantique trouve un emploi rémunérateur.
“C’est une utilisation fantastique du processeur”, a déclaré Nayak.
Avec la prépublication d’aujourd’hui, qui a été soumise pour publication, et d’autres résultats récents, les chercheurs ont réalisé l’espoir initial des ordinateurs quantiques. Dans son article de 1982 proposant les dispositifs, le physicien Richard Feynman a fait valoir qu’ils pourraient être utilisés pour simuler les particules de n’importe quel système quantique imaginable.
Un cristal temporel illustre cette vision. C’est un objet quantique que la nature elle-même ne crée probablement jamais, étant donné sa combinaison complexe d’ingrédients délicats. Les imaginations ont évoqué la recette, agitée par les lois les plus déconcertantes de la nature.
Une idée impossible, ressuscitée.
La notion originale d’un cristal temporel avait un défaut fatal.
Le physicien Frank Wilczek, lauréat du prix Nobel, a conçu l’idée en 2012, tout en enseignant un cours sur les cristaux (spatiaux) ordinaires. “Si vous pensez aux cristaux dans l’espace, il est très naturel de penser également à la classification du comportement cristallin dans le temps”, a-t-il déclaré à ce magazine peu de temps après.
Considérons un diamant, une phase cristalline d’un amas d’atomes de carbone. Le bloc est régi par les mêmes équations partout dans l’espace, mais il prend une forme qui présente des variations spatiales périodiques, avec des atomes positionnés aux points du réseau. Les physiciens disent que cela « brise spontanément la symétrie espace-translation ». Seuls les états d’équilibre à énergie minimale brisent spontanément les symétries spatiales de cette manière.
Wilczek a imaginé un objet en plusieurs parties en équilibre, un peu comme un diamant. Mais cet objet brise la symétrie de translation du temps : il subit un mouvement périodique, revenant à sa configuration initiale à intervalles réguliers.
« Quelque chose d’aussi stable que cela est inhabituel, et des choses spéciales deviennent utiles. » Roderich Moessner
Le cristal temporel proposé par Wilczek était profondément différent d’une horloge murale, par exemple, un objet qui subit également un mouvement périodique. Les aiguilles de l’horloge brûlent de l’énergie et s’arrêtent lorsque la batterie est épuisée. Un cristal temporel de Wilczek ne nécessite aucune entrée et continue indéfiniment, puisque le système est dans son état d’équilibre ultra-stable.
Si cela semble invraisemblable, c’est le cas : après beaucoup de frisson et de controverse, une preuve de 2014 a montré que la prescription de Wilczek échoue, comme toutes les autres machines à mouvement perpétuel conçues à travers l’histoire.
Cette année-là, les chercheurs de Princeton pensaient à autre chose. Khemani et son directeur de doctorat, Sondhi, étudiaient la localisation à plusieurs corps, une extension de la localisation d’Anderson, la découverte lauréate du prix Nobel de 1958 selon laquelle un électron peut rester bloqué en place, comme dans une crevasse d’un paysage accidenté.
Un électron est mieux représenté comme une onde, dont la hauteur à différents endroits donne la probabilité d’y détecter la particule. La vague s’étale naturellement dans le temps. Mais Philip Anderson a découvert que le caractère aléatoire – comme la présence de défauts aléatoires dans un réseau cristallin – peut provoquer la rupture de l’onde de l’électron, interférer de manière destructive avec elle-même et s’annuler partout sauf dans une petite région. La particule se localise.
Les gens ont pensé pendant des décennies que les interactions entre plusieurs particules détruiraient l’effet d’interférence. Mais en 2005, trois physiciens des universités de Princeton et de Columbia ont montré qu’une chaîne unidimensionnelle de particules quantiques peut subir une localisation à plusieurs corps ; c’est-à-dire qu’ils sont tous bloqués dans un état fixe. Ce phénomène allait devenir le premier ingrédient du cristal du temps.
Imaginez une rangée de particules, chacune avec une orientation magnétique (ou « spin ») qui pointe vers le haut, le bas ou une certaine probabilité dans les deux directions. Imaginez que les quatre premiers tours pointent initialement vers le haut, le bas, le bas et le haut. Les spins fluctueront mécaniquement et s’aligneront rapidement, s’ils le peuvent. Mais des interférences aléatoires entre elles peuvent provoquer le blocage de la rangée de particules dans leur configuration particulière, incapable de se réarranger ou de se stabiliser en équilibre thermique. Ils pointent vers le haut, le bas, le bas et le haut indéfiniment.
Sondhi et un collaborateur avaient découvert que les systèmes localisés à plusieurs corps peuvent présenter un type particulier d’ordre, qui deviendrait le deuxième ingrédient clé d’un cristal temporel : si vous renversez tous les spins du système (en cédant, en haut, en haut et en bas dans notre exemple), vous obtenez un autre état localisé stable à plusieurs corps.
À l’automne 2014, Khemani a rejoint Sondhi en congé sabbatique à l’Institut Max Planck de Dresde. Là-bas, Moessner et Lazarides se sont spécialisés dans les systèmes dits Floquet : des systèmes entraînés périodiquement, comme un cristal stimulé avec un laser d’une certaine fréquence. L’intensité du laser, et donc la force de son effet sur le système, varie périodiquement.
Moessner, Lazarides, Sondhi et Khemani ont étudié ce qui se passe lorsqu’un système localisé à plusieurs corps est périodiquement piloté de cette manière. Ils ont découvert dans des calculs et des simulations que lorsque vous chatouillez une chaîne localisée de spins avec un laser d’une manière particulière, ils vont et viennent, se déplaçant entre deux états localisés à plusieurs corps différents dans un cycle répétitif pour toujours sans absorber aucune énergie nette. du laser.
Ils ont appelé leur découverte une phase de verre de spin pi (où l’angle pi signifie un retournement de 180 degrés). Le groupe a rapporté le concept de cette nouvelle phase de la matière – la première phase à plusieurs corps hors d’équilibre jamais identifiée – dans une prépublication de 2015, mais les mots “cristal temporel” n’y figuraient nulle part. Les auteurs ont ajouté le terme dans une version mise à jour, publiée dans Physical Review Letters en juin 2016, remerciant un examinateur dans les remerciements pour avoir fait le lien entre leur phase de verre de spin pi et les cristaux temporels.
Quelque chose d’autre s’est passé entre l’apparition de la prépublication et sa publication : Nayak, qui est un ancien étudiant diplômé de Wilczek, et ses collaborateurs Dominic Else et Bela Bauer ont publié une prépublication en mars 2016 proposant l’existence d’objets appelés cristaux temporels Floquet. Ils ont cité en exemple la phase de verre de rotation pi de Khemani et de la société.
Un cristal temporel de Floquet présente le type de comportement envisagé par Wilczek, mais uniquement lorsqu’il est périodiquement entraîné par une source d’énergie externe. Ce type de cristal temporel contourne l’échec de l’idée originale de Wilczek en ne prétendant jamais être en équilibre thermique. Parce que c’est un système localisé à plusieurs corps, ses spins ou autres parties sont incapables de s’équilibrer ; ils sont coincés là où ils sont. Mais le système ne chauffe pas non plus, bien qu’il soit pompé par un laser ou un autre pilote. Au lieu de cela, il va et vient indéfiniment entre les états localisés.
Déjà, le laser aura brisé la symétrie entre tous les moments dans le temps pour la rangée de spins, imposant à la place une « symétrie de translation temporelle discrète », c’est-à-dire des conditions identiques seulement après chaque cycle périodique du laser. Mais ensuite, à travers ses allers-retours, la rangée de spins brise davantage la symétrie discrète de translation temporelle imposée par le laser, puisque ses propres cycles périodiques sont des multiples de ceux du laser.
Khemani et ses co-auteurs avaient caractérisé cette phase en détail, mais le groupe de Nayak l’a formulée dans le langage du temps, de la symétrie et de la rupture spontanée de la symétrie – tous des concepts fondamentaux de la physique. En plus d’offrir une terminologie plus sexy, ils ont fourni de nouvelles facettes de compréhension et ils ont légèrement généralisé la notion de cristal temporel de Floquet au-delà de la phase de verre de spin pi (notant qu’une certaine symétrie n’est pas nécessaire). Leur article a été publié dans Physical Review Letters en août 2016, deux mois après que Khemani et sa compagnie ont publié la découverte théorique du premier exemple de la phase.
Les deux groupes prétendent avoir découvert l’idée. Depuis lors, les chercheurs rivaux et d’autres se sont précipités pour créer un cristal temporel dans la réalité.
La plate-forme parfaite.
L’équipage de Nayak s’est associé à Chris Monroe de l’Université du Maryland, qui utilise des champs électromagnétiques pour piéger et contrôler les ions. Le mois dernier, le groupe a rapporté dans Science qu’ils avaient transformé les ions piégés en un cristal temporel approximatif ou « préthermique ». Ses variations cycliques (dans ce cas, des ions sautant entre deux états) sont pratiquement indiscernables de celles d’un véritable cristal temporel. Mais contrairement à un diamant, ce cristal du temps préthermal n’est pas éternel ; si l’expérience durait assez longtemps, le système s’équilibrerait progressivement et le comportement cyclique s’effondrerait.
Khemani, Sondhi, Moessner et leurs collaborateurs ont attelé leur chariot ailleurs. En 2019, Google a annoncé que son ordinateur quantique Sycamore avait accompli une tâche en 200 secondes qui prendrait 10 000 ans à un ordinateur conventionnel. (D’autres chercheurs décriront plus tard un moyen d’accélérer considérablement le calcul de l’ordinateur ordinaire.) En lisant le document d’annonce, Moessner a déclaré que lui et ses collègues ont réalisé que «le processeur Sycamore contient comme éléments fondamentaux exactement les choses dont nous avons besoin pour réaliser le cristal du temps Floquet.
Par hasard, les développeurs de Sycamore cherchaient également quelque chose à voir avec leur machine, qui est trop sujette aux erreurs pour exécuter les algorithmes de cryptographie et de recherche conçus pour les ordinateurs quantiques à part entière. Lorsque Khemani et ses collègues ont contacté Kostya Kechedzhi, un théoricien de Google, lui et son équipe ont rapidement accepté de collaborer sur le projet de cristal temporel. “Mon travail, non seulement avec des cristaux à temps discret mais aussi avec d’autres projets, consiste à essayer d’utiliser notre processeur comme outil scientifique pour étudier une nouvelle physique ou chimie”, a déclaré Kechedzhi.
Les ordinateurs quantiques sont constitués de “qubits” – des particules quantiques essentiellement contrôlables, dont chacune peut maintenir deux états possibles, étiquetés 0 et 1, en même temps. Lorsque les qubits interagissent, ils peuvent jongler collectivement avec un nombre exponentiel de possibilités simultanées, permettant des avantages informatiques.
Les qubits de Google sont constitués de bandes d’aluminium supraconductrices. Chacun a deux états d’énergie possibles, qui peuvent être programmés pour représenter des rotations pointant vers le haut ou vers le bas. Pour la démonstration, Kechedzhi et ses collaborateurs ont utilisé une puce avec 20 qubits pour servir de cristal temporel.
Le principal avantage de la machine par rapport à ses concurrents est peut-être sa capacité à régler les forces des interactions entre ses qubits. Cette accordabilité est la clé de la raison pour laquelle le système pourrait devenir un cristal temporel : les programmeurs pouvaient randomiser les forces d’interaction des qubits, et ce caractère aléatoire créait une interférence destructrice entre eux qui permettait à la rangée de spins d’obtenir une localisation à plusieurs corps. Les qubits pourraient se verrouiller dans un modèle défini d’orientations plutôt que de s’aligner.
Les chercheurs ont donné aux spins des configurations initiales arbitraires, telles que : haut, bas, bas, haut, etc. Le pompage du système avec des micro-ondes a fait basculer les rotations pointant vers le haut vers le bas et vice versa. En exécutant des dizaines de milliers de démos pour chaque configuration initiale et en mesurant les états des qubits après différentes périodes de temps dans chaque exécution, les chercheurs ont pu observer que le système de spins oscillait entre deux états localisés à plusieurs corps.
La caractéristique d’une phase est une stabilité extrême. La glace reste comme de la glace même si la température fluctue. En effet, les chercheurs ont découvert que les impulsions micro-ondes n’avaient qu’à faire tourner des rotations quelque part dans l’ordre de 180 degrés, mais pas exactement autant, pour que les rotations reviennent à leur orientation initiale exacte après deux impulsions, comme de petits bateaux se redressant. De plus, les spins n’ont jamais absorbé ou dissipé l’énergie nette du laser à micro-ondes, laissant le désordre du système inchangé.
On ne sait pas si un cristal temporel Floquet pourrait avoir une utilité pratique. Mais sa stabilité semble prometteuse à Moessner. “Quelque chose d’aussi stable que cela est inhabituel, et des choses spéciales deviennent utiles”, a-t-il déclaré.
Ou l’État pourrait être simplement conceptuellement utile. C’est le premier et le plus simple exemple de phase hors d’équilibre, mais les chercheurs soupçonnent que d’autres phases de ce type sont physiquement possibles.
Nayak soutient que les cristaux de temps éclairent quelque chose de profond sur la nature du temps. Normalement, en physique, a-t-il déclaré, “même si vous essayez de traiter [le temps] comme n’étant qu’une autre dimension, c’est toujours une sorte de valeur aberrante.” Einstein a fait la meilleure tentative d’unification, tissant l’espace 3D avec le temps dans un tissu à quatre dimensions : l’espace-temps. Mais même dans sa théorie, le temps unidirectionnel est unique. Avec les cristaux de temps, a déclaré Nayak, “c’est le premier cas que je connaisse où tout d’un coup le temps n’est qu’un membre du gang.”
Chalker fait valoir, cependant, que le temps reste une valeur aberrante. Le cristal temporel de Wilczek aurait été une véritable unification du temps et de l’espace, a-t-il déclaré. Les cristaux spatiaux sont en équilibre et, en conséquence, ils brisent la symétrie continue de la translation spatiale. La découverte que, dans le cas du temps, seule une symétrie discrète de translation du temps peut être brisée par des cristaux temporels met un nouvel angle sur la distinction entre le temps et l’espace.
Ces discussions se poursuivront, portées par la possibilité d’exploration sur des ordinateurs quantiques. Les physiciens de la matière condensée s’intéressaient autrefois aux phases du monde naturel. “L’objectif est passé de l’étude de ce que la nature nous donne”, a déclaré Chalker, à l’imagination de formes exotiques de matière que la mécanique quantique permet.