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

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

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

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

Ces travaux représentent “une manière complètement différente de penser aux 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 repose sur des qubits, l’équivalent quantique des bits de calcul. Cependant, alors que les bits traitent l’information dans l’un des deux états suivants, 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, permettant de résoudre rapidement des problèmes dans les bonnes circonstances.

Mais la nature floue et incertaine d’une série de qubits dépend également de la manière dont leurs états indécis sont liés les uns aux autres – une relation appelée enchevêtrement ou intrication.

Il est frustrant de constater que les qubits peuvent s’enchevêtrer avec à peu près tout ce qui se trouve dans leur environnement, ce qui introduit des erreurs. Plus l’état flou d’un qubit est délicat (ou plus il y a de chaos dans son environnement), plus le risque qu’il perde cette cohérence est grand.

L’amélioration de la cohérence au point de la rendre viable est probablement une approche multi-tactique permettant de lever un obstacle important qui se dresse sur la voie d’un ordinateur quantique fonctionnel – chaque petit bout fait la différence.

“Même si vous gardez tous les atomes sous un contrôle strict, ils peuvent perdre leur caractère quantique en parlant à leur environnement, en chauffant ou en interagissant avec des choses que vous n’aviez pas prévues”, explique M. Dumitrescu.

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

L’application d’une symétrie peut être un moyen de protéger les qubits de la décohérence. Faites pivoter un simple carré de quatre-vingt-dix degrés, et il conserve effectivement la même forme. Cette symétrie le protège de certains effets de rotation.

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

Selon leur théorie, cela ajouterait non pas une symétrie temporelle, mais deux, l’une étant effectivement enfouie dans l’autre.

Cette idée s’appuie sur des travaux antérieurs de l’équipe qui proposaient la création d’un quasicristal dans le temps plutôt que dans l’espace. Alors qu’un cristal est constitué d’un réseau symétrique d’atomes qui se répète dans l’espace, comme une grille carrée de gymnastique ou un nid d’abeille, le motif des atomes d’un quasicristal ne se répète pas, comme un pavage de Penrose, mais reste néanmoins ordonné.

L’équipe a mené son expérience sur un ordinateur quantique commercial de pointe conçu par Quantinuum, une société spécialisée dans l’informatique quantique. Cette bête utilise pour ses qubits 10 atomes d’ytterbium (l’un des éléments de choix pour les 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 quasicristal.

Les quasicristaux peuvent être décrits mathématiquement comme des segments de dimension inférieure de treillis 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. En théorie, cela signifie qu’elle pouvait potentiellement imposer deux symétries temporelles aux qubits.

L’équipe a testé son travail en projetant 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, soit la durée de l’expérience.

Selon les chercheurs, la symétrie temporelle supplémentaire 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.

“Grâce à cela, le bord reste cohérent du point de vue quantique et mécanique beaucoup, beaucoup plus longtemps que ce à quoi on pourrait s’attendre.”

Les travaux sont loin d’être prêts à être intégrés dans des ordinateurs quantiques fonctionnels, mais ils représentent une étape importante vers cet objectif, ont déclaré les chercheurs.

La recherche a été publiée dans Nature.

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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche