Les chercheurs ont créé une nouvelle phase de la matière – le cristal du temps

Il y a un énorme effort mondial pour concevoir un ordinateur capable d’exploiter la puissance de la physique quantique, et il se heurte à de formidables obstacles techniques.

Mais de récents prototypes d’ordinateurs quantiques montrent des exploits remarquables dans la création d’un ordinateur quantique, qui sera capable d’effectuer des calculs d’une complexité sans précédent en utilisant la puissance de la physique quantique.

Time Crystal, une nouvelle phase de la matière qui se répète dans le temps. Il le fait indéfiniment sans aucun autre apport d’énergie. Comme une montre qui fonctionne éternellement sans piles.

La recherche de cette phase de la matière a finalement porté ses fruits.

Dans un article publié le 30 novembre dans Nature, une équipe de scientifiques de l’Université de Stanford, de Google Quantum AI, du Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems et de l’Université d’Oxford détaillent leur création d’un cristal temporel à l’aide du matériel informatique quantique Sycamore de Google. .

« La vue d’ensemble est que nous prenons les appareils qui sont censés être les ordinateurs quantiques du futur et les considérons comme des systèmes quantiques complexes à part entière » a déclaré Matteo Ippolitti, chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford et co-auteur principal de l’ouvrage. « Au lieu du calcul, nous avons mis l’ordinateur au travail comme une nouvelle plate-forme expérimentale pour percevoir et découvrir de nouvelles phases de la matière. »

« Les cristaux temporels sont un exemple frappant d’un nouveau type de phase quantique déséquilibrée de la matière », a déclaré Vedika Khemani, professeur adjoint de physique à l’Université de Stanford et auteur du document de recherche. « Alors qu’une grande partie de notre compréhension de la physique de la matière condensée dépend des systèmes d’équilibre, ces nouveaux dispositifs quantiques nous offrent une fenêtre fascinante sur de nouveaux systèmes hors d’équilibre en physique multicorps. »

Les ingrédients de base pour faire un cristal cette fois-ci sont les suivants : l’équivalent physique d’une mouche des fruits et quelque chose pour lui donner un coup de pouce. Drosophila Physics est le modèle d’Ising, un outil de longue date pour comprendre divers phénomènes physiques – y compris les transitions de phase et le magnétisme – qui consiste en un réseau où chaque position de particule occupe deux états qui sont représentés par un spin vers le haut ou vers le bas.

« C’est une phase de la matière complètement robuste, où vous n’ajustez pas les paramètres ou les états, mais votre système est toujours quantitatif » a déclaré Sundy, professeur de physique à Oxford et co-auteur de l’article. « Il n’y a pas d’alimentation en énergie, il n’y a pas de drain d’énergie, cela dure pour toujours et cela implique de nombreuses particules hautement réactives. »

Bien que cela puisse sembler étrangement proche d’une « machine à mouvement perpétuel », un examen plus approfondi révèle que les cristaux temporels n’enfreignent aucune loi physique.

L’entropie – une mesure du désordre dans un système – reste constante dans le temps, satisfaisant marginalement la deuxième loi de la thermodynamique en ne décroissant pas.

Entre le développement de ce plan pour un cristal temporel et l’expérience informatique quantique qui lui a donné vie, les expériences de nombreux chercheurs différents ont atteint de nombreux jalons cristallins à peu près en même temps. Cependant, fournir tous les ingrédients de la recette de la « localisation à plusieurs corps » (le phénomène qui permet une cristallisation en temps fixe à l’infini) restait un défi majeur.

Pour Khemani et ses collaborateurs, la dernière étape vers le 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 éléments d’information d’un ordinateur classique, appelés qubits.

Révélant à quel point l’intérêt pour les cristaux temporels est intense, les cristaux ont de nouveau été publiés dans Science ce mois-ci. Des chercheurs de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas ont créé le cristal en utilisant les qubits contenus dans le diamant.

« Nous avons pu utiliser la polyvalence d’un 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 expliqué comment corriger ses propres erreurs, afin que l’empreinte du comportement parfait d’un cristal temporel puisse être vérifiée grâce à des observations dans un temps limité. »

La signature principale d’un cristal temporel idéal est qu’il présente des vibrations non spécifiques de tous les états. La vérification de ce pouvoir dans la sélection des états a été un défi empirique majeur. Les chercheurs ont conçu un protocole pour examiner plus d’un million d’instances de cristaux temporels en un seul cycle de la machine, ne nécessitant que quelques millisecondes d’exécution. C’est comme regarder un cristal physique sous plusieurs angles pour vérifier sa structure répétitive.

« La caractéristique unique de notre processeur quantique est sa capacité à créer des états quantiques très complexes », a déclaré Xiao Mei, chercheur à navigateur google et co-auteur principal de l’article. « Ces états permettent d’étudier efficacement les structures de phase du matériau sans avoir à étudier l’ensemble de l’espace de calcul, une tâche autrement inextricable. »

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’utilisation croissante de Ordinateurs quantiques Pour des applications autres que l’informatique.

« Je suis optimiste qu’avec des qubits plus nombreux et meilleurs, notre approche pourrait devenir une méthode majeure dans l’étude de la dynamique des déséquilibres », Pedram Roshan, chercheur chez Google et auteur principal de l’article.

« Nous pensons que l’utilisation la plus excitante des ordinateurs quantiques en ce moment est celle de plates-formes pour la physique quantique fondamentale », dit Ippoliti. « Avec les capacités uniques de ces systèmes, il y a de l’espoir que vous découvrirez de nouveaux phénomènes auxquels vous ne vous attendiez pas. »

référence du magazine

1. Mei, X, Ippolite, M, Quintana, C et al. Arrangement de cristallisation à l’état propre sur un processeur quantique. Nature 2021. EST CE QUE JE: 10.1038 / s41586-021-04257-w