Les scientifiques font exploser des atomes avec le laser de Fibonacci pour créer une dimension « supplémentaire » du temps
La technique pourrait être utilisée pour protéger les données informatiques quantiques contre les erreurs.
En lançant une impulsion laser de Fibonacci sur des atomes à l’intérieur d’un ordinateur quantique, les physiciens ont créé une phase complètement nouvelle et étrange de la matière qui se comporte comme si elle avait deux dimensions de temps.
La nouvelle phase de la matière, créée en utilisant des lasers pour secouer rythmiquement un brin de 10 ions ytterbium, permet aux scientifiques de stocker des informations d’une manière beaucoup plus protégée contre les erreurs, ouvrant ainsi la voie aux ordinateurs quantiques qui peuvent conserver les données pendant une longue période sans se brouiller. Les chercheurs ont présenté leurs résultats dans un article publié le 20 juillet dans la revue Nature(s’ouvre dans un nouvel onglet).
L’inclusion d’une dimension théorique de temps « supplémentaire » « est une façon complètement différente de penser les phases de la matière », a déclaré l’auteur principal Philipp Dumitrescu, chercheur au Centre de physique quantique computationnelle de l’Institut Flatiron à New York, dans un communiqué. « Je travaille sur ces idées théoriques depuis plus de cinq ans, et les voir se réaliser dans des expériences est passionnant. »
Les physiciens n’ont pas entrepris de créer une phase avec une dimension théorique de temps supplémentaire, ni de chercher une méthode permettant un meilleur stockage des données quantiques. Au lieu de cela, ils se sont intéressés à la création d’une nouvelle phase de la matière – une nouvelle forme sous laquelle la matière peut exister, au-delà du solide, du liquide, du gaz, du plasma standard.
Ils ont commencé à construire la nouvelle phase dans le processeur quantique H1 de la société d’informatique quantique Quantinuum, qui se compose de 10 ions ytterbium dans une chambre à vide qui sont contrôlés avec précision par des lasers dans un dispositif connu sous le nom de piège à ions.
Les ordinateurs ordinaires utilisent des bits, ou 0 et 1, pour former la base de tous les calculs. Les ordinateurs quantiques sont conçus pour utiliser des qubits, qui peuvent également exister dans un état de 0 ou 1. Mais c’est à peu près là que les similitudes s’arrêtent. Grâce aux lois bizarres du monde quantique, les qubits peuvent exister dans une combinaison, ou superposition, des états 0 et 1 jusqu’au moment où ils sont mesurés, sur lequel ils s’effondrent aléatoirement en un 0 ou un 1.
Ce comportement étrange est la clé de la puissance de l’informatique quantique, car il permet aux qubits de se lier entre eux par intrication quantique, un processus qu’Albert Einstein a surnommé « l’action effrayante à distance ». L’intrication couple deux qubits ou plus l’un à l’autre, reliant leurs propriétés de sorte que tout changement dans une particule provoquera un changement dans l’autre, même si elles sont séparées par de grandes distances. Cela donne aux ordinateurs quantiques la possibilité d’effectuer plusieurs calculs simultanément, augmentant de manière exponentielle leur puissance de traitement par rapport à celle des appareils classiques.
Mais le développement des ordinateurs quantiques est freiné par un gros défaut : les qubits ne se contentent pas d’interagir et de s’emmêler les uns avec les autres ; parce qu’ils ne peuvent pas être parfaitement isolés de l’environnement extérieur à l’ordinateur quantique, ils interagissent également avec l’environnement extérieur, ce qui leur fait perdre leurs propriétés quantiques et les informations qu’ils transportent, dans un processus appelé décohérence.
« Même si vous gardez tous les atomes sous contrôle étroit, ils peuvent perdre leur » quantumness « en parlant à leur environnement, en se réchauffant ou en interagissant avec des choses d’une manière que vous n’aviez pas prévue », a déclaré Dumitrescu.
Pour contourner ces effets de décohérence embêtants et créer une nouvelle phase stable, les physiciens se sont tournés vers un ensemble spécial de phases appelées phases topologiques. L’intrication quantique ne permet pas seulement aux dispositifs quantiques d’encoder des informations à travers les positions statiques singulières des qubits, mais aussi de les tisser dans les mouvements dynamiques et les interactions de l’ensemble du matériau – dans la forme même, ou topologie, des états intriqués du matériau. Cela crée un qubit « topologique » qui code l’information sous la forme formée par plusieurs parties plutôt que par une seule partie, ce qui rend la phase beaucoup moins susceptible de perdre ses informations.
Une caractéristique clé du passage d’une phase à l’autre est la rupture des symétries physiques – l’idée que les lois de la physique sont les mêmes pour un objet à n’importe quel moment dans le temps ou dans l’espace. En tant que liquide, les molécules de l’eau suivent les mêmes lois physiques en tout point de l’espace et dans toutes les directions. Mais si vous refroidissez suffisamment l’eau pour qu’elle se transforme en glace, ses molécules choisiront des points réguliers le long d’une structure cristalline, ou réseau, pour s’organiser. Soudain, les molécules d’eau ont préféré les points de l’espace à occuper, et elles laissent les autres points vides; la symétrie spatiale de l’eau a été spontanément brisée.
La création d’une nouvelle phase topologique à l’intérieur d’un ordinateur quantique repose également sur la rupture de symétrie, mais avec cette nouvelle phase, la symétrie n’est pas brisée dans l’espace, mais dans le temps.
En donnant à chaque ion de la chaîne une secousse périodique avec les lasers, les physiciens ont voulu briser la symétrie temporelle continue des ions au repos et imposer leur propre symétrie temporelle – où les qubits restent les mêmes à certains intervalles dans le temps – qui créerait une phase topologique rythmique à travers le matériau.
Mais l’expérience a échoué. Au lieu d’induire une phase topologique immunisée contre les effets de décohérence, les impulsions laser régulières ont amplifié le bruit provenant de l’extérieur du système, le détruisant moins de 1,5 seconde après son allumage.
Après avoir reconsidéré l’expérience, les chercheurs ont réalisé que pour créer une phase topologique plus robuste, ils auraient besoin de nouer plus d’une symétrie temporelle dans le brin ionique pour réduire les chances que le système soit brouillé. Pour ce faire, ils ont décidé de trouver un modèle d’impulsion qui ne se répétait pas simplement et régulièrement, mais qui montrait néanmoins une sorte de symétrie plus élevée dans le temps.
Cela les a conduits à la séquence de Fibonacci, dans laquelle le numéro suivant de la séquence est créé en ajoutant les deux précédents. Alors qu’une simple impulsion laser périodique pourrait simplement alterner entre deux sources laser (A, B, A, B, A, B, etc.), leur nouveau train d’impulsions fonctionnait plutôt en combinant les deux impulsions précédentes (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.).
Cette pulsation de Fibonacci a créé une symétrie temporelle qui, tout comme un quasi-cristal dans l’espace, a été ordonnée sans jamais se répéter. Et tout comme un quasi-cristal, les impulsions de Fibonacci écrasent également un motif de dimension supérieure sur une surface de dimension inférieure. Dans le cas d’un quasi-cristal spatial tel que le carrelage de Penrose, une tranche d’un réseau à cinq dimensions est projetée sur une surface bidimensionnelle. En regardant le modèle d’impulsion de Fibonacci, nous voyons deux symétries temporelles théoriques s’aplatir en une seule symétrie physique.
Un exemple de carrelage penrose (Crédit image : Shutterstock)
« Le système obtient essentiellement une symétrie bonus à partir d’une dimension de temps supplémentaire inexistante », ont écrit les chercheurs dans le communiqué. Le système apparaît comme un matériau qui existe dans une dimension supérieure avec deux dimensions de temps – même si cela peut être physiquement impossible dans la réalité.
Lorsque l’équipe l’a testé, la nouvelle impulsion de Fibonacci quasi périodique a créé une phase topographique qui a protégé le système contre la perte de données pendant les 5,5 secondes du test. En effet, ils avaient créé une phase qui était immunisée contre la décohérence depuis beaucoup plus longtemps que d’autres.
« Avec cette séquence quasi périodique, il y a une évolution compliquée qui annule toutes les erreurs qui vivent sur le bord », a déclaré Dumitrescu. « Pour cette raison, le bord reste cohérent quantiquement mécaniquement beaucoup, beaucoup plus longtemps que prévu. »
Bien que les physiciens aient atteint leur objectif, un obstacle reste à faire de leur phase un outil utile pour les programmeurs quantiques: l’intégrer au côté informatique de l’informatique quantique afin qu’elle puisse être entrée avec des calculs.
« Nous avons cette application directe et alléchante, mais nous devons trouver un moyen de l’intégrer aux calculs », a déclaré Dumitrescu. « C’est un problème ouvert sur lequel nous travaillons. »
Publié à l’origine sur Live Science.
Publié le 16 Août 2022 par
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