Une nouvelle phase de la matière ouvre un portail vers une dimension temporelle supplémentaire

Lorsque les anciens Incas voulaient archiver les registres fiscaux et de recensement, ils utilisaient un appareil composé d’un certain nombre de chaînes appelé un quipu, qui encode les données en nœuds. Avance rapide de plusieurs centaines d’années, et les physiciens sont sur le point de développer un équivalent moderne beaucoup plus sophistiqué. Leur “quipu” est une nouvelle phase de la matière créée dans un ordinateur quantique, leurs chaînes sont des atomes et les nœuds sont générés par des modèles d’impulsions laser qui ouvrent efficacement une deuxième dimension du temps.

Ce n’est pas aussi incompréhensible qu’il y paraît à première vue. La nouvelle phase est l’une des nombreuses au sein d’une famille de phases dites topologiques, qui ont été identifiées pour la première fois dans les années 1980. Ces matériaux affichent un ordre non pas sur la base de la disposition de leurs constituants – comme l’espacement régulier des atomes dans un cristal – mais sur leurs mouvements dynamiques et leurs interactions. Créer une nouvelle phase topologique, c’est-à-dire une nouvelle « phase de la matière », est aussi simple que d’appliquer de nouvelles combinaisons de champs électromagnétiques et d’impulsions laser pour mettre de l’ordre ou de la « symétrie » dans les mouvements et les états des atomes d’une substance. De telles symétries peuvent exister dans le temps plutôt que dans l’espace, par exemple dans les mouvements répétitifs induits. Les symétries temporelles peuvent être difficiles à voir directement, mais peuvent être révélées mathématiquement en imaginant le matériau du monde réel comme une projection de dimension inférieure à partir d’un espace hypothétique de dimension supérieure, similaire à la façon dont un hologramme bidimensionnel est une projection de dimension inférieure d’un objet en trois dimensions. Dans le cas de cette phase nouvellement créée, qui se manifeste dans un brin d’ions (atomes électriquement chargés), ses symétries peuvent être discernées en la considérant comme un matériau qui existe dans une réalité de dimension supérieure avec deux dimensions temporelles.

“Il est très excitant de voir cette phase inhabituelle de la matière réalisée dans une expérience réelle, en particulier parce que la description mathématique est basée sur une dimension temporelle” supplémentaire “théorique”, déclare Philipp Dumitrescu, membre de l’équipe, qui était au Flatiron Institute de New York. Ville où les expériences ont été menées. Un article décrivant le travail a été publié dans La nature le 20 juillet.

Ouvrir un portail vers une dimension temporelle supplémentaire, même seulement théorique, semble passionnant, mais ce n’était pas le plan initial des physiciens. «Nous étions très motivés pour voir quels nouveaux types de phases pourraient être créés», explique le co-auteur de l’étude Andrew Potter, physicien quantique à l’Université de la Colombie-Britannique. Ce n’est qu’après avoir envisagé leur nouvelle phase proposée que les membres de l’équipe ont réalisé qu’elle pourrait aider à protéger les données en cours de traitement dans les ordinateurs quantiques contre les erreurs.

Les ordinateurs classiques standard encodent les informations sous forme de chaînes de bits – 0 ou 1 – tandis que la puissance prédite des ordinateurs quantiques découle de la capacité des bits quantiques, ou qubits, à stocker des valeurs de 0 ou de 1, ou des deux simultanément (pensez au chat de Schrödinger, qui peut être à la fois mort et vivant). La plupart des ordinateurs quantiques encodent des informations sur l’état de chaque qubit, par exemple dans une propriété quantique interne d’une particule appelée spin, qui peut pointer vers le haut ou vers le bas, correspondant à un 0 ou un 1, ou les deux en même temps. Mais tout bruit – un champ magnétique parasite, par exemple – pourrait faire des ravages sur un système soigneusement préparé en inversant les spins bon gré mal gré et même en détruisant entièrement les effets quantiques, interrompant ainsi les calculs.

Potter compare cette vulnérabilité à la transmission d’un message à l’aide de morceaux de ficelle, chaque ficelle étant disposée sous la forme d’une lettre individuelle et disposée sur le sol. “Vous pourriez bien le lire jusqu’à ce qu’une petite brise arrive et emporte une lettre”, dit-il. Pour créer le matériau quantique le plus résistant aux erreurs, l’équipe de Potter s’est penchée sur les phases topologiques. Dans un ordinateur quantique qui exploite la topologie, l’information n’est pas codée localement dans l’état de chaque qubit mais est tissée à travers le matériau globalement. “C’est comme un nœud difficile à défaire, comme le quipu”, explique Potter, le mécanisme utilisé par les Incas pour stocker les recensements et autres données.

“Les phases topologiques sont intrigantes car elles offrent un moyen de se protéger contre les erreurs intégrées au matériau”, ajoute le co-auteur de l’étude, Justin Bohnet, physicien quantique à la société Quantinuum à Broomfield, Colorado, où les expériences ont été menées. “Ceci est différent des protocoles traditionnels de correction d’erreurs, où vous effectuez constamment des mesures sur une petite partie du système pour vérifier s’il y a des erreurs, puis vous les corrigez.”

Le processeur quantique H1 de Quantinuum est composé d’un brin de 10 qubits – 10 ions ytterbium – dans une chambre à vide, avec des lasers contrôlant étroitement leurs positions et leurs états. Un tel « piège à ions » est une technique standard utilisée par les physiciens pour manipuler les ions. Dans leur première tentative pour créer une phase topologique qui serait stable contre les erreurs, Potter, Dumitrescu et leurs collègues ont cherché à imprégner le processeur d’une simple symétrie temporelle en donnant des coups de pied périodiques aux ions – tous alignés dans une dimension – avec des répétitions régulières. impulsions laser. “Nos calculs au fond de l’enveloppe ont suggéré que cela protégerait [the quantum processor] des erreurs », dit Potter. Ceci est similaire à la façon dont un battement de tambour régulier peut maintenir le rythme de plusieurs danseurs.

Pour voir s’ils avaient raison, les chercheurs ont exécuté le programme plusieurs fois sur le processeur de Quantinuum et ont vérifié à chaque fois si l’état quantique résultant de tous les qubits correspondait à leurs prédictions théoriques. “Ça n’a pas marché du tout,” dit Potter en riant. “Des choses totalement incompréhensibles sortaient.” À chaque fois, l’accumulation d’erreurs dans le système a dégradé ses performances en 1,5 seconde. L’équipe s’est vite rendu compte qu’il ne suffisait pas d’ajouter une seule symétrie temporelle. En fait, plutôt que d’empêcher les qubits d’être affectés par les chocs et le bruit extérieurs, les impulsions laser périodiques amplifiaient de minuscules ratés dans le système, aggravant encore les petites perturbations, explique Potter.

Alors lui et ses collègues retournèrent à la planche à dessin jusqu’à ce qu’ils aient enfin une idée : s’ils pouvaient concocter un schéma d’impulsions qui était en quelque sorte lui-même ordonné (plutôt qu’aléatoire) mais ne se répétait pas de manière régulière, ils pourrait créer une phase topologique plus résiliente. Ils ont calculé qu’un tel motif «quasi-périodique» pourrait potentiellement induire de multiples symétries dans les qubits d’ytterbium du processeur tout en évitant les amplifications indésirables. Le modèle qu’ils ont choisi était la séquence mathématiquement bien étudiée de Fibonacci, dans laquelle le nombre suivant dans la séquence est la somme des deux précédents. (Ainsi, là où une séquence d’impulsions laser périodique régulière pourrait alterner entre deux fréquences de deux lasers comme A, B, A, B…, une séquence pulsée de Fibonacci fonctionnerait comme A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA….)

Bien que ces modèles aient en fait émergé d’un arrangement plutôt complexe de deux collections d’impulsions laser variables, le système, selon Potter, peut être simplement considéré comme “deux lasers pulsant avec deux fréquences différentes” qui garantissent que les impulsions ne se chevauchent jamais temporellement. Pour les besoins de ses calculs, la partie théorique de l’équipe a imaginé ces deux collections indépendantes de battements le long de deux lignes temporelles distinctes ; chaque collection bat efficacement dans sa propre dimension temporelle. Ces deux dimensions temporelles peuvent être tracées à la surface d’un tore. La nature quasi-périodique des lignes temporelles doubles devient claire par la façon dont elles s’enroulent chacune autour du tore encore et encore “à un angle étrange qui ne se répète jamais”, dit Potter.

Lorsque l’équipe a implémenté le nouveau programme avec la séquence quasi-périodique, le processeur de Quantinuum était en effet protégé pendant toute la durée du test : 5,5 secondes. “Cela ne semble pas beaucoup en quelques secondes, mais c’est une différence vraiment nette”, déclare Bohnet. “C’est un signe clair que la démonstration fonctionne.”

“C’est plutôt cool”, reconnaît Chetan Nayak, un expert en informatique quantique à Microsoft Station Q à l’Université de Californie à Santa Barbara, qui n’a pas participé à l’étude. Il note qu’en général, les systèmes spatiaux bidimensionnels offrent une meilleure protection contre les erreurs que les systèmes unidimensionnels, mais ils sont plus difficiles et plus coûteux à construire. La deuxième dimension temporelle efficace créée par l’équipe contourne cette limitation. “Leur système unidimensionnel agit comme un système de dimension supérieure à certains égards, mais sans les frais généraux liés à la création d’un système bidimensionnel”, dit-il. “C’est le meilleur des deux mondes, donc vous avez votre gâteau et vous le mangez aussi.”

Samuli Autti, un physicien quantique à l’Université de Lancaster en Angleterre, qui n’était pas non plus impliqué dans l’équipe, décrit les tests comme “élégants” et “fascinants” et est particulièrement impressionné par le fait qu’ils impliquent la “dynamique” – c’est-à-dire les impulsions laser et manipulations qui stabilisent le système et déplacent ses qubits constitutifs. La plupart des efforts précédents pour améliorer topologiquement les ordinateurs quantiques reposaient sur des méthodes de contrôle moins actives, les rendant plus statiques et moins flexibles. Ainsi, dit Autti, “la dynamique avec protection topologique est un objectif technologique majeur”.

Le nom que les chercheurs ont attribué à leur nouvelle phase topologique de la matière reconnaît ses capacités potentiellement transformatrices, même si c’est un peu une bouchée : phase topologique à symétrie dynamique protégée émergente, ou EDSPT. “Ce serait bien de penser à un nom plus accrocheur”, admet Potter.

Il y avait un autre bonus inattendu du projet : le test initial échoué avec la séquence d’impulsions périodiques a révélé que l’ordinateur quantique était plus sujet aux erreurs que prévu. “C’était un bon moyen d’étirer et de tester la qualité du processeur de Quantinuum”, déclare Nayak.