Publié le 2024-11-08 14:35:00. Des chercheurs ont mis en évidence un nouveau comportement de l’information dans les systèmes quantiques désordonnés, ouvrant la voie à des mémoires quantiques plus robustes et à des avancées significatives dans le domaine de l’informatique quantique.
- Une « phase critique de l’information » a été identifiée, où l’information persiste plus longtemps que prévu dans les systèmes quantiques bruyants.
- Cette découverte s’applique aux codes toriques décohérés, des éléments clés de la correction d’erreurs quantiques.
- Un protocole de décodage optimisé a été développé, permettant de récupérer une fraction significative de l’information même en présence de perturbations.
La physique de l’information, et plus particulièrement son comportement lorsque les systèmes deviennent désordonnés, représente un défi majeur. Une équipe de chercheurs, menée par Akash Vijay et Jong Yeon Lee, vient de franchir une étape importante dans la compréhension de ce phénomène. Leurs travaux révèlent l’existence d’une « phase critique de l’information », une région particulière au sein des systèmes désordonnés où les informations sur l’état initial persistent de manière inattendue.
Cette phase critique a été observée dans les codes toriques décohérés, un type de code quantique utilisé pour la correction d’erreurs. Même lorsque le système perd sa cohérence, une partie de l’information logique reste préservée. Cette découverte élargit notre compréhension de la mémoire quantique dans les environnements bruyants et suggère la possibilité de stocker des données de manière fiable malgré les perturbations environnementales.
Les phases critiques quantiques sont caractérisées par des longueurs de corrélation divergentes. Les chercheurs ont défini une phase informationnelle critique comme une région où le contenu informationnel, mesuré par l’entropie de von Neumann, diverge. Leur étude porte sur l’impact de la décohérence – la perte de cohérence quantique due aux interactions avec l’environnement – sur l’intrication et sur l’émergence potentielle de ce comportement critique de l’information. L’analyse des entropies de Rényi, des mesures d’intrication, a révélé que, dans certaines conditions, elles présentent un comportement cohérent avec une phase critique de l’information, même en l’absence de point critique quantique conventionnel.
Pour mieux comprendre la préservation de l’information quantique dans les systèmes bruyants, les chercheurs ont étudié cette phase au sein de circuits quantiques aléatoires. Ils se sont concentrés sur l’évolution de l’intrication et des corrélations en fonction du niveau de bruit. Un outil clé a été le développement d’informations mutuelles entre les sous-systèmes, permettant d’identifier l’émergence de cette phase critique, distincte des états ordonnés et désordonnés. L’analyse des informations mutuelles entre deux sous-systèmes, en fonction d’un troisième, a démontré que, dans la phase critique de l’information, ces informations mutuelles divergent avec l’augmentation de la taille du système et restent finies même lorsqu’elles sont conditionnées aux mesures du troisième sous-système. Des simulations numériques approfondies ont confirmé ces résultats, et des transformations de dualité ont apporté un éclairage supplémentaire sur la physique sous-jacente.
Les scientifiques ont également identifié cette nouvelle phase critique dans les codes toriques décohérés, une avancée majeure pour la correction d’erreur et la mémoire topologique. Ils ont démontré l’existence de cette phase, caractérisée par une longueur de Markov divergente, dans une région spécifique du diagramme de phases à états mixtes du code. Cette phase se situe entre des états de code décodables de manière fiable et des états complètement défaillants, ce qui témoigne d’une résilience surprenante au bruit. L’équipe a mesuré des informations cohérentes, évaluant la robustesse des qudits logiques codés, et a constaté qu’elles saturent jusqu’à atteindre une valeur fractionnaire avec l’augmentation de la taille du système au cours de la phase critique de l’information.
Cette saturation signifie que, même si le code se dégrade, une fraction finie des informations logiques reste préservée. Une analyse plus approfondie révèle que la matrice de densité dans cette phase se décompose en états purs coulombiens, où les anyons se réorganisent en photons sans espace. Les recherches sur le code torique non jaugé révèlent un lien avec la rupture spontanée de la symétrie, où la phase critique de l’information découle d’une symétrie améliorée, conduisant à une nouvelle phase superfluide. Les chercheurs ont également développé un protocole de décodage optimal pour le code Toric corrompu par le bruit, atteignant un seuil correspondant à la limite de la phase décodable et récupérant efficacement les informations logiques fractionnaires conservées dans la phase critique de l’information, démontrant ainsi une nouvelle forme de mémoire topologique fractionnaire.
En identifiant cette nouvelle phase critique, l’équipe de recherche a identifié un analogue sans interruption capable de préserver la mémoire topologique fractionnaire, ouvrant ainsi de nouvelles voies de recherche en théorie de l’information quantique et en physique de la matière condensée. Ces résultats pourraient avoir des implications importantes pour la construction d’ordinateurs quantiques plus résilients et performants.
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