Vue d’artiste d’un cristal temporel discret composé de neuf qubits représentés par les spins nucléaires de neuf atomes de carbone-13 dans le diamant. La chaîne de spins connectés est verrouillée dans une phase où ils inversent périodiquement leurs états. Crédit : Joe Randall et Tim Taminiau, avec l’aimable autorisation de QuTech
Le physicien de l’UC Berkeley Norman Yao a décrit pour la première fois il y a cinq ans comment faire un cristal du temps — une nouvelle forme de matière dont les motifs se répètent dans le temps au lieu de l’espace. Contrairement aux cristaux d’émeraude ou de rubis, cependant, ces cristaux temporels n’existaient que pendant une fraction de seconde.
Mais le temps est venu pour les cristaux de temps. Depuis la proposition originale de Yao, de nouvelles connaissances ont conduit à la découverte que les cristaux temporels se présentent sous de nombreuses formes différentes, chacune stabilisée par son propre mécanisme distinct.
Utilisation de nouveaux l’informatique quantique architectures, plusieurs laboratoires ont failli créer une version localisée à plusieurs corps d’un cristal temporel, qui utilise le désordre pour maintenir les qubits quantiques périodiquement entraînés dans un état continu de secousses sous-harmoniques – les qubits oscillent, mais seulement toutes les deux périodes du lecteur .
Dans un article publié dans la revue Science la semaine dernière, Yao et ses collègues de QuTech – une collaboration entre l’Université de technologie de Delft et TNO, un groupe de recherche indépendant aux Pays-Bas – ont signalé la création d’un cristal à temps discret localisé à plusieurs corps qui a duré environ huit secondes, correspondant à 800 oscillations périodes. Ils ont utilisé un ordinateur quantique basé sur un diamant, où les qubits – les bits quantiques, l’analogue des bits binaires dans les ordinateurs numériques – sont les spins nucléaires des atomes de carbone-13 intégrés à l’intérieur du diamant.
“Alors qu’un cristal temporel parfaitement isolé peut, en principe, vivre éternellement, toute mise en œuvre expérimentale réelle se désintégrera en raison des interactions avec l’environnement”, a déclaré Joe Randall de QuTech. « Prolonger davantage la durée de vie est la prochaine frontière. »
Les résultats, posté pour la première fois cet été sur arXiv, ont été reproduits dans une expérience quasi simultanée par des chercheurs de Google, Stanford et Princeton, en utilisant l’ordinateur quantique supraconducteur de Google, Sycamore. Cette démonstration employait 20 qubits constitués de bandes d’aluminium supraconductrices et durait environ huit dixièmes de seconde. Les cristaux temporels de Google et de QuTech sont tous deux appelés phases de matière Floquet, qui sont un type de matériau hors équilibre.
« C’est extrêmement excitant que de multiples percées expérimentales se produisent simultanément », déclare Tim Taminiau, chercheur principal chez QuTech. « Toutes ces différentes plateformes se complètent. L’expérience Google utilise deux fois plus de qubits ; notre cristal du temps vit environ 10 fois plus longtemps.
L’équipe de Qutech a manipulé les neuf qubits de carbone-13 de la bonne manière pour satisfaire aux critères de formation d’un cristal temporel localisé à plusieurs corps.
“Un cristal temporel est peut-être l’exemple le plus simple d’une phase de non-équilibre de la matière”, a déclaré Yao, professeur agrégé de physique à l’UC Berkeley. « Le système QuTech est parfaitement positionné pour explorer d’autres phénomènes hors d’équilibre, y compris, par exemple, les phases topologiques de Floquet. »
Ces résultats font suite à une autre observation de cristal de temps, impliquant également le groupe de Yao, publiée dans Science il y a plusieurs mois. Là, les chercheurs ont observé un soi-disant préthermique cristal du temps, où les oscillations sous-harmoniques sont stabilisées via une conduite à haute fréquence. Les expériences ont été réalisées dans le laboratoire de Monroe à l’Université du Maryland en utilisant une chaîne unidimensionnelle d’ions atomiques piégés, le même système qui a observé les premières signatures de la dynamique cristalline temporelle il y a plus de cinq ans. Fait intéressant, contrairement au cristal temporel localisé à plusieurs corps, qui représente une phase de Floquet quantique innée, les cristaux temporels préthermaux peuvent exister sous forme quantique ou phases classiques de la matière.
De nombreuses questions ouvertes demeurent. Existe-t-il des applications pratiques pour les cristaux de temps ? La dissipation peut-elle aider à prolonger la durée de vie d’un cristal temporel ? Et, plus généralement, comment et quand les systèmes quantiques entraînés s’équilibrent-ils ? Les résultats rapportés démontrent que les défauts de spin dans les solides sont une plate-forme flexible pour étudier expérimentalement ces questions ouvertes importantes en physique statistique.
“La capacité d’isoler les spins de leur environnement tout en étant capable de contrôler leurs interactions offre une opportunité incroyable d’étudier comment les informations sont préservées ou perdues”, a déclaré Francisco Machado, étudiant diplômé de l’UC Berkeley. « Ce sera fascinant de voir ce qui va suivre. »
Les références:
“Cristal à temps discret localisé à plusieurs corps avec un simulateur quantique programmable basé sur le spin” par J. Randall, CE Bradley, FV van der Gronden, A. Galicia, MH Abobeih, M. Markham, DJ Twitchen, F. Machado, NY Yao et TH Taminiau, le 4 novembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abk0603
“Observation de l’ordre propre cristallin temporel sur un processeur quantique” par Xiao Mi, Matteo Ippoliti, Chris Quintana, Ami Greene, Zijun Chen, Jonathan Gross, Frank Arute, Kunal Arya, Juan Atalaya, Ryan Babbush, Joseph C. Bardin, Joao Basso, Andreas Bengtsson, Alexander Bilmes, Alexandre Bourassa, Leon Brill, Michael Broughton, Bob B. Buckley, David A. Buell, Brian Burkett, Nicholas Bushnell, Benjamin Chiaro, Roberto Collins, William Courtney, Dripto Debroy, Sean Demura, Alan R Derk, Andrew Dunsworth, Daniel Eppens, Catherine Erickson, Edward Farhi, Austin G. Fowler, Brooks Foxen, Craig Gidney, Marissa Giustina, Matthew P. Harrigan, Sean D. Harrington, Jeremy Hilton, Alan Ho, Sabrina Hong, Trent Huang , Ashley Huff, William J. Huggins, LB Ioffe, Sergei V. Isakov, Justin Iveland, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Dvir Kafri, Tanuj Khattar, Seon Kim, Alexei Kitaev, Paul V. Klimov, Alexander N. Korotkov , Fedor Kostritsa, David Landhuis, Pavel Laptev, Joonho Lee, Kenny Lee, Aditya Loc harla, Erik Lucero, Orion Martin, Jarrod R. McClean, Trevor McCourt, Matt McEwen, Kevin C. Miao, Masoud Mohseni, Shirin Montazeri, Wojciech Mruczkiewicz, Ofer Naaman, Matthew Neeley, Charles Neill, Michael Newman, Murphy Yuezhen Niu, Thomas E. O’ Brien, Alex Opremcak, Eric Ostby, Balint Pato, Andre Petukhov, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vladimir Shvarts, Yuan Su, Doug Strain, Marco Szalay, Matthew D. Trevithick, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jamie Yao, Ping Yeh, Juhwan Yoo, Adam Zalcman, Hartmut Neven, Sergio Boixo, Vadim Smelyanskiy, Anthony Megrant, Julian Kelly, Yu Chen, SL Sondhi, Roderich Moessner, Kostyantyn Kechedzhi, Vedram Khemani et Pedram Roushan, le 28 juillet 2021, La physique quantique.
arXiv : 2107.13571
“Observation d’un cristal à temps discret préthermal” par A. Kyprianidis, F. Machado, W. Morong, P. Becker, KS Collins, DV Else, L. Feng, PW Hess, C. Nayak, G. Pagano, NY Yao et C. Monroe, le 11 juin 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abg8102
