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Une phase unique de la matière, appelée cristal temporel, qui peut en théorie passer d’un état à l’autre à tout moment sans apport d’énergie, a été créée à l’intérieur d’un ordinateur quantique construit par Google. Cette découverte est l’un des premiers problèmes du monde réel résolus par un ordinateur quantique, et pourrait également être exploitée pour les améliorer.

Un cristal temporel

Un cristal temporel peut se former à partir d’un matériau lorsque ses composants forment des motifs stables et répétitifs. À ce stade, on dit qu’il a perdu sa symétrie spatiale – il n’a plus la même apparence sous tous les angles. En 2012, Frank Wilczek, du Massachusetts Institute of Technology, a suggéré que, comme la relativité générale définit le temps comme une quatrième dimension, un matériau pourrait perdre sa symétrie temporelle.

Un tel « cristal temporel » ferait des allers-retours entre deux états, encore et encore, sans utiliser ni perdre d’énergie. Il présenterait des motifs répétitifs dans le temps, plutôt que dans l’espace.

M. Wilczek admet que cette idée de mouvement perpétuel semble violer les lois de la thermodynamique, mais il affirme que c’est uniquement parce que les scientifiques qui les ont écrites il y a longtemps « n’étaient pas conscients de toutes les subtilités qui s’ouvrent » dans le monde de la mécanique quantique et qui peuvent créer des systèmes sans friction et d’autres phénomènes inhabituels.

Il admet qu’il a « beaucoup souffert » dans les années qui ont suivi son hypothèse de la part de personnes qui pensaient qu’il était tombé dans le piège de la description d’une machine à mouvement perpétuel.

Mais ce concept est rapidement devenu plus plausible. Plusieurs équipes ont prétendu avoir créé un cristal temporel ces dernières années et maintenant, un groupe de chercheurs de Google, de l’université de Stanford et du MIT, entre autres, a utilisé l’ordinateur quantique Sycamore de Google pour réaliser ce qui, selon Wilczek, est un cristal temporel plus fidèle à la définition stricte que jamais auparavant.

Une série de 20 qubits au sein de Sycamore

L’équipe de Google a utilisé une série de 20 qubits au sein de Sycamore pour représenter une chaîne de données dont le spin est aléatoire. Ces valeurs ont ensuite été finement équilibrées à l’aide d’une technique appelée localisation à plusieurs corps, où l’interférence entre les particules les fige en place, même lorsqu’elles auraient tendance à s’éloigner les unes des autres en raison de l’équilibre thermique.

Ils ont démontré que les qubits dans cet état délicat inversaient spontanément leur spin à l’unisson pour créer un nouveau modèle de données, puis revenaient à leur état initial, encore et encore. L’équipe affirme qu’une partie du processeur quantique est devenue un cristal temporel.

M. Wilczek se réjouit de voir son hypothèse se concrétiser expérimentalement. « C’est définitivement une étape importante dans ce domaine », dit-il. « Et je pense qu’à certains égards, c’est encore plus important pour l’informatique quantique. Je pense qu’il s’agit du premier problème raisonnablement naturel qu’un ordinateur quantique a effectivement contribué à résoudre. »

Il plaisante en disant que, d’une certaine manière, l’expérience ressemble à un ordinateur traditionnel qui tombe dans une boucle infinie accidentelle et se plante, et que les cristaux temporels peuvent être considérés comme un « mode de défaillance intéressant » pour les ordinateurs quantiques.

Des outils de mesure extrêmement précis

M. Wilczek estime que les cristaux temporels pourraient trouver des applications dans les ordinateurs quantiques afin d’en accroître la fiabilité et la précision, mais qu’il est plus probable qu’ils soient utilisés avant cela comme outils de mesure extrêmement précis, car leur stabilité est délicate.

« Ils peuvent être des sondes très sensibles de certains types de champs externes et nous donnerons donc, en principe, de nouveaux types de dispositifs extrêmement sensibles », explique-t-il. De telles sondes pourraient être utilisées dans toutes sortes d’expériences électriques et magnétiques.

Cette recherche a été pré-publiée dans arXiv.

Source : New Scientist
Crédit photo : Pixabay