En envoyant une impulsion laser de Fibonacci sur des atomes à l’intérieur d’un ordinateur quantique, les physiciens ont créé une phase de matière entièrement nouvelle et étrange qui se comporte comme si elle avait deux dimensions temporelles.
La nouvelle phase de aventureCréé en utilisant des lasers pour secouer en rythme un brin de 10 ions d’ytterbium, il permet aux scientifiques de stocker des informations de manière beaucoup plus sûre, ouvrant la voie à la technologie quantique. des ordinateurs qui peut conserver les données pendant longtemps sans être déformées. Les chercheurs ont décrit leurs découvertes dans un article publié le 20 juillet dans la revue La nature (s’ouvre dans un nouvel onglet).
L’inclusion d’une dimension temporelle “supplémentaire” théorique “est une façon complètement différente de penser aux phases de la matière”, a déclaré l’auteur principal Philipp Dumitrescu, chercheur au Center for Computational Quantum Physics du Flatiron Institute de New York. . dit dans un communiqué. J’ai travaillé sur ces la théorie idées depuis plus de cinq ans, et les voir se concrétiser dans des expérimentations est passionnant.
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Les physiciens n’ont pas cherché à créer une phase avec une dimension temporelle supplémentaire théorique, ni à chercher une méthode permettant un meilleur stockage des données quantiques. Au lieu de cela, ils étaient intéressés par la création d’une nouvelle phase de la matière : une nouvelle façon dont la matière peut exister, au-delà de la norme solide, liquide, gazplasma.
Ils ont commencé à construire la nouvelle phase du processeur quantique H1 de la société d’ordinateurs quantiques Quantinuum, qui se compose de 10 ions ytterbium dans une chambre à vide qui sont contrôlés avec précision par des lasers dans un dispositif appelé piège à ions.
Les ordinateurs ordinaires utilisent des bits, ou des 0 et des 1, pour former la base de tous les calculs. Les ordinateurs quantiques sont conçus pour utiliser des qubits, qui peuvent également exister à l’état 0 ou 1. Mais c’est là que s’arrêtent les similitudes. Grâce aux lois étranges du monde quantique, les qubits peuvent exister dans une combinaison, ou une superposition, d’états 0 et 1 jusqu’au moment où ils sont mesurés, moment auquel 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 les uns aux autres via intrication quantiqueun processus qui Albert Einstein surnommée “action effrayante à distance”. L’intrication couple deux ou plusieurs qubits ensemble, reliant leurs propriétés de sorte que tout changement dans une particule entraînera un changement dans l’autre, même s’ils sont séparés 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 défaut majeur : 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, leur faisant perdre leurs propriétés quantiques et les informations qu’ils transportent, dans un processus appelé décohérence.
“Même si vous gardez tous les atomes sous contrôle strict, ils peuvent perdre leur “quantité” en parlant à leur environnement, en s’échauffant 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 ont recherché un ensemble spécial de phases appelées phases topologiques. L’intrication quantique permet non seulement aux dispositifs quantiques d’encoder des informations à travers les positions singulières et statiques des qubits, mais également de les enchevêtrer avec les mouvements dynamiques et les interactions de l’ensemble du matériau, dans la forme ou la topologie même des états d’imbrication du matériau. . Cela crée un qubit “topologique” qui encode les informations sous forme de plusieurs parties plutôt qu’en une seule partie, ce qui rend la phase beaucoup moins susceptible de perdre ses informations.
Une caractéristique clé du passage d’une phase à une autre est la rupture des symétries physiques : l’idée que les lois de la physique sont les mêmes pour un objet à tout moment ou dans tout espace. En tant que liquide, les molécules d’eau suivent les mêmes lois physiques en tous points 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. Du coup, les molécules d’eau ont des points préférés dans l’espace à occuper, et laissent les autres points vides ; la symétrie spatiale de l’eau a été spontanément brisée.
La création d’une nouvelle phase topologique au sein d’un ordinateur quantique est également basée sur la brisure de symétrie, mais avec cette nouvelle phase, la symétrie n’est pas brisée dans l’espace, mais dans le temps.
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En donnant à chaque ion de la chaîne une secousse périodique avec des lasers, les physiciens ont voulu briser la symétrie en temps continu des ions au repos et imposer leur propre symétrie temporelle, où les qubits restent les mêmes à certains intervalles de temps, ce qui créerait une phase topologique rythmique. à travers la matière.
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 extérieur au système, le détruisant moins de 1,5 seconde après sa mise en marche.
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 diminuer les chances que le système encode. Pour ce faire, ils ont décidé de trouver un modèle d’impulsion qui ne se répéterait pas de manière simple et régulière mais présenterait néanmoins une sorte de symétrie supérieure dans le temps.
Cela les a amenés à suite de fibonacci, où le numéro suivant de la séquence est créé en ajoutant les deux précédents. Alors qu’une simple impulsion laser périodique pouvait alterner entre deux sources laser (A, B, A, B, A, B, etc.), son nouveau train d’impulsions fonctionnait en combinant les deux impulsions précédentes (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA , etc.).
Cette impulsion de Fibonacci a créé une symétrie temporelle qui, comme un quasi-cristal dans l’espace, s’est 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 comme le pavage de Penrose, une tranche d’un réseau à cinq dimensions est projetée sur une surface à deux dimensions. En regardant le modèle d’impulsion de Fibonacci, nous voyons que deux symétries temporelles théoriques sont aplaties en une seule physique.
“Le système dérive essentiellement une symétrie supplémentaire d’une dimension temporelle supplémentaire inexistante”, ont écrit les chercheurs dans le communiqué. Le système apparaît comme un matériau qui existe dans une dimension supérieure avec deux dimensions temporelles, même si cela peut être physiquement impossible dans la réalité.
Lorsque l’équipe l’a testé, la nouvelle impulsion quasi-périodique de Fibonacci a créé une phase topographique qui a protégé le système contre la perte de données pendant les 5,5 secondes complètes du test. En fait, ils avaient créé une phase immunisée contre la décohérence beaucoup plus longtemps que les autres.
“Avec cette séquence quasi-périodique, il y a une évolution compliquée qui annule tous les bugs vivant à la périphérie”, a déclaré Dumitrescu. “A cause de cela, le bord reste cohérent sur le plan de la mécanique quantique beaucoup, beaucoup plus longtemps que vous ne le pensez.”
Bien que les physiciens aient atteint leur objectif, un obstacle demeure pour faire de leur phase un outil utile pour les programmeurs quantiques : l’intégrer au côté informatique de l’informatique quantique afin qu’il puisse être saisi avec des calculs.
“Nous avons cette application directe alléchante, mais nous devons trouver un moyen de l’intégrer dans les calculs”, a déclaré Dumitrescu. “C’est un problème ouvert sur lequel nous travaillons.”
Publié à l’origine sur Live Science.