Des scientifiques viennent de créer un cristal temporel avec un niveau de précision inédit

Comprendre l’étrange nature des cristaux temporels

Pour saisir l’ampleur de cette découverte, il convient d’abord de définir ce qu’est un cristal. Les cristaux ordinaires, tels que le sel ou les diamants, possèdent des atomes disposés selon un motif répétitif dans l’espace. Un cristal temporel, en revanche, constitue une nouvelle phase étrange de la matière où le motif se répète non pas dans l’espace, mais dans le temps. C’est un concept qui défie l’intuition : lorsque vous « poussez » un cristal temporel avec un rythme régulier, par exemple une fois par seconde, il réagit en oscillant à un rythme différent, comme une fois toutes les deux secondes.

Ce phénomène est profondément inhabituel. Pour l’illustrer, imaginez que vous poussez un enfant sur une balançoire une fois par seconde. Dans le cas d’un cristal temporel, la balançoire ne complèterait un cycle que toutes les deux secondes, tout en ne perdant jamais d’énergie et en ne se désynchronisant jamais. C’est précisément cette stabilité temporelle particulière qui intéresse les physiciens.

Récemment, des progrès significatifs ont été réalisés pour observer ce phénomène avec une précision sans précédent. Des scientifiques d’IBM Quantum et du Donostia International Physics Center (DIPC) en Espagne ont mené des simulations sur un système de particules capable de favoriser un état unique de cristal temporel discret (DTC). Il s’agit d’un précieux « état de la matière hors équilibre » qui s’annonce prometteur pour les futurs systèmes informatiques quantiques.

Une réalisation physique authentique sur processeur quantique

La particularité de cette recherche réside dans l’outil utilisé : un processeur quantique. Contrairement à une simulation classique qui se contente de calculs mathématiques, le processeur a exécuté une partie de la physique sous-jacente directement. Les qubits (bits quantiques) du processeur ont subi la même dynamique que le cristal temporel théorique. Cela fait de l’expérience une véritable réalisation physique plutôt qu’une simple approximation mathématique, se rapprochant ainsi de ce qui pourrait exister dans la vie réelle.

Cette approche permet aux scientifiques de concevoir de meilleurs circuits quantiques pour l’informatique et d’autres systèmes spécialisés, à mesure que les modèles deviennent plus complexes et moins limités. Les résultats de cette étude, qui viennent d’être publiés dans la revue évaluée par des pairs Nature Communications, démontrent finalement que ce système DTC (cristal temporel discret) existe avec une stabilité bien supérieure à ce qui avait été observé auparavant.

Les auteurs expliquent dans leur publication que jusqu’à présent, la plupart des recherches sur les DTC et autres états exotiques similaires reposaient sur des modèles très simplifiés, souvent qualifiés de « modèles jouets » (toy models). Ces modèles comportent le moins de variables possible et des conditions parfaitement comprises, aidant les scientifiques à s’assurer que leurs observations sont liées à leur hypothèse et non à une variable d’arrière-plan. Ils constituent généralement une première étape vers le développement de modèles plus complexes.

Le passage des modèles simplifiés à la complexité réelle

Au fil du temps, les scientifiques ont acquis la conviction que les systèmes DTC se comportaient d’une certaine manière, mais cette croyance reposait sur des recherches impliquant des systèmes quantiques simplifiés. Souvent, cette simplification prend la forme d’un système « trempé » (quenched), ce qui signifie qu’il subit « un seul changement rapide » de son niveau d’énergie. Cependant, la réalité est bien plus complexe.

Dans la vie réelle, un système quantique peut également être « piloté » (driven), ce qui signifie qu’il fonctionne grâce à un apport constant ou pulsé d’énergie extérieure. Les scientifiques ont écrit que ce système piloté représente « une situation qui peut refléter plus fidèlement les processus thermodynamiques naturels ». En effet, les cristaux temporels discrets n’émergent que dans des systèmes pilotés où l’énergie est échangée au fil du temps.

Dans leur récent article, les chercheurs ont franchi un cap en ajoutant une deuxième dimension et une forme de réseau plus complexe à leur modèle. Ils ont remplacé le modèle d’Ising, un « jouet » utile, par ce que l’on appelle le modèle de Heisenberg. Leur modèle recevait une énergie constante selon un motif périodique (ou de Floquet). Pour maintenir la robustesse et la précision des mathématiques impliquées, ils ont utilisé des réseaux de tenseurs, une méthode où de grands champs de valeurs sont multipliés par d’autres grands champs de valeurs.

Des résultats surprenants : stabilité et cicatrices quantiques

L’enseignement majeur tiré des simulations de cette équipe est que le système s’est révélé beaucoup plus stable que ce que les experts croyaient auparavant. Les chercheurs ont testé à la fois des versions ergodiques (à couverture étendue) et des versions localisées du système avec des contraintes plus strictes. Ils ont découvert que l’ajout d’impulsions énergétiques conférait au système une stabilité accrue, malgré l’instabilité inhérente aux composants tels que les DTC.

L’équipe souligne que tout cela démontre pourquoi le passage à un modèle plus complexe est crucial pour la recherche. Si le modèle simplifié est un excellent point de départ, certains phénomènes observables ne sont apparus dans cette étude que grâce aux différences apportées par le modèle de Heisenberg. Parmi ces découvertes figure un comportement surprenant de « cicatrice quantique » (quantum scar) dans les cristaux temporels.

Une cicatrice quantique est un signe que les particules d’un système ne se comportent pas de la manière totalement chaotique à laquelle on pourrait s’attendre. Au lieu de cela, elles parcourent le même terrain (du moins parfois). Cette observation suggère une forme de régularité inattendue au sein du système complexe, renforçant l’intérêt pour ces structures dans des applications pratiques.

Vers une nouvelle ère pour l’informatique quantique

Les implications de ces travaux dépassent le cadre de la simple simulation. Comme l’a écrit l’équipe de recherche : « Les interactions de type Heisenberg surviennent naturellement dans un large éventail de systèmes physiques, des aimants à molécule unique et des chaînes métalliques aux architectures basées sur des points quantiques ». Ils ajoutent que « la capacité de réaliser de tels modèles dans différents contextes expérimentaux souligne la pertinence plus large de nos découvertes au-delà de la mise en œuvre spécifique sur des qubits supraconducteurs ».

En effet, ces découvertes pourraient s’étendre assez loin dans la mécanique quantique dans son ensemble. Cela s’explique par le fait que les cristaux temporels discrets « présentent des manifestations macroscopiques » capables de préserver des données quantiques dans certaines situations où les comportements énergétiques étaient censés les effacer. Cette propriété de conservation est fondamentale pour la fiabilité des technologies futures.

Si l’avenir appartient à l’informatique quantique, nous aurons besoin de toutes les protections contre les surtensions possibles. La robustesse mise en évidence par ces cristaux temporels pourrait bien constituer l’une des clés pour stabiliser ces machines incroyablement puissantes mais délicates.

Selon la source : popularmechanics.com

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