Qubit Spin Ice: Monopoles magnétiques émergents isolés à l’aide d’un ordinateur à recuit quantique

Emergent Magnetic Monopoles
Monopoles magnétiques émergents

Les chercheurs ont utilisé un ordinateur à recuit quantique D-Wave comme banc d’essai pour examiner le comportement des monopôles magnétiques émergents. Montré ici, des monopôles magnétiques émergents traversent un réseau de qubits dans un recuit quantique supraconducteur. Un flux non nul programmé autour de la frontière crée un monopôle piégé dans l’état fondamental dégénéré. Crédit : Laboratoire national de Los Alamos et systèmes D-Wave

Le projet offre une nouvelle étape vers l’étude de l’émergence, des « matériaux par conception » et des futurs nano-aimants.

En utilisant un ordinateur à recuit quantique D-Wave comme banc d’essai, les scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos ont montré qu’il est possible d’isoler ce qu’on appelle les monopôles magnétiques émergents, une classe de quasiparticules, créant une nouvelle approche pour développer des “matériaux par conception”. “

“Nous voulions étudier les monopôles magnétiques émergents en exploitant la dynamique collective des qubits”, a déclaré Cristiano Nisoli, l’un des principaux auteurs de l’étude à Los Alamos. “Les monopôles magnétiques, en tant que particules élémentaires avec un seul pôle magnétique, ont fait l’objet d’hypothèses par beaucoup, et célèbre par Dirac, mais se sont avérés insaisissables jusqu’à présent.”

Ils ont réalisé une glace de spin artificielle en utilisant les qubits supraconducteurs de la machine quantique comme bloc de construction magnétique. La génération de matériaux magnétiques aux propriétés exotiques de cette manière est révolutionnaire à bien des égards. Leur procédé utilisait la loi de Gauss pour piéger les monopôles, permettant aux scientifiques d’observer leur dynamique quantique activée et leur interaction mutuelle. Ce travail démontre sans ambiguïté que les monopôles magnétiques peuvent non seulement émerger d’une structure de spin sous-jacente, mais peuvent être contrôlés, isolés et étudiés avec précision.

« Il a été démontré au cours de la dernière décennie environ que des monopôles peuvent émerger sous forme de quasi-particules pour décrire les glaces de spin d’excitation de diverses géométries. Auparavant, l’installation de champ pulsé du National High Magnetic Field Laboratory à Los Alamos était capable d’« écouter » le bruit des monopoles dans les glaces de spin artificielles. Et maintenant, en utilisant un système de recuit quantique D-Wave, nous avons suffisamment de contrôle pour piéger réellement une ou plusieurs de ces particules et les étudier individuellement. Nous les avons vus se promener, se faire coincer et être créés et annihilés par paires de charges magnétiques opposées. Et nous avons ainsi pu confirmer nos prédictions théoriques quantitatives, qu’elles interagissent et en fait se filtrent », a déclaré Nisoli.

« Les processeurs de D-Wave sont conçus pour exceller dans l’optimisation, mais peuvent également être utilisés comme simulateurs quantiques. En programmant les interactions souhaitées de notre matériau magnétique dans les qubits de D-Wave, nous pouvons effectuer des expériences qui sont autrement extrêmement difficiles », a déclaré Andrew King, directeur de la recherche sur les performances chez D-Wave et auteur de l’article. «Ce travail collaboratif de preuve de principe démontre de nouvelles capacités expérimentales, améliorant la puissance et la polyvalence des études de glace de spin artificielle. La capacité à manipuler par programmation des quasiparticules émergentes peut devenir un aspect clé de l’ingénierie des matériaux et même de la topologie. l’informatique quantique; nous espérons qu’il sera fondamental pour les recherches futures.

Nisoli a ajouté : « Nous n’avons fait qu’effleurer la surface de cette approche. Les systèmes de glace de spin artificielle précédents étaient réalisés avec des nano-aimants et obéissaient à la physique classique. Cette réalisation est au contraire entièrement quantique. Pour éviter de sauter des étapes, nous nous sommes concentrés jusqu’à présent sur une étude quasi classique, mais à l’avenir, nous pourrons vraiment augmenter ces fluctuations quantiques et étudier des problèmes très actuels de décohérence, de mémoire, d’information quantique et d’ordre topologique, avec des implications technologiques importantes. “

«Ces résultats ont également des conséquences technologiques particulièrement pertinentes pour le DOE et Los Alamos, en particulier dans l’idée de matériaux par conception, pour produire de futurs nano-aimants qui pourraient montrer des fonctionnalités avancées et souhaitables pour la détection et le calcul. Les monopoles, en tant que supports d’informations binaires, peuvent être pertinents pour la spintronique. Ils contribuent également de manière significative aux investissements de Los Alamos D-Wave », a noté Alejandro Lopez-Bezanilla de Los Alamos, qui travaille sur le processeur D-Wave et a constitué l’équipe.

Nisoli suggère d’ailleurs qu’outre des applications fructueuses, ces résultats pourraient peut-être aussi alimenter la réflexion de la physique fondamentale.

« Nos théories fondamentales des particules sont des modèles paramétrés. On se demande : qu’est-ce qu’une particule ? Nous montrons ici expérimentalement que non seulement les particules mais aussi leur longue portée les interactions peuvent être une description de niveau supérieur d’une structure sous-jacente très simple, une seule couplée à plus proches voisins. Est-ce que même des particules et des interactions « réelles » que nous considérons comme fondamentales, telles que les leptons et les quarks, pourraient plutôt être interprétées comme une description émergente de niveau supérieur d’un substrat binaire de niveau inférieur plus complexe, un peu comme nos monopôles émergeant d’un tas de qubits ? ?”

Référence : « Qubit spin ice » par Andrew D. King, Cristiano Nisoli, Edward D. Dahl, Gabriel Poulin-Lamarre et Alejandro Lopez-Bezanilla, 15 juillet 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abe2824

Financement : Ce projet a été financé dans le cadre d’une subvention de recherche dirigée par le laboratoire national de Los Alamos.

À propos du Laboratoire national de Los Alamos

Le Laboratoire national de Los Alamos, une institution de recherche multidisciplinaire engagée dans la science stratégique au nom de la sécurité nationale, est géré par Triad, une organisation scientifique de sécurité nationale axée sur le service public détenue à parts égales par ses trois membres fondateurs : Battelle Memorial Institute (Battelle), le Texas A&M University System (TAMUS) et les régents de l’Université de Californie (UC) pour la National Nuclear Security Administration du ministère de l’Énergie.

Los Alamos renforce la sécurité nationale en assurant la sécurité et la fiabilité du stock nucléaire américain, en développant des technologies pour réduire les menaces des armes de destruction massive et en résolvant les problèmes liés à l’énergie, à l’environnement, aux infrastructures, à la santé et aux problèmes de sécurité mondiale.

À propos de D-Wave Systems Inc.

D-Wave est le leader dans le développement et la livraison de systèmes, logiciels et services informatiques quantiques et est le premier fournisseur commercial au monde d’ordinateurs quantiques. Notre mission est de libérer la puissance de l’informatique quantique pour le monde. Nous le faisons en offrant de la valeur client avec des applications quantiques pratiques pour des problèmes aussi divers que la logistique, l’intelligence artificielle, les sciences des matériaux, la découverte de médicaments, la planification, la cybersécurité, la détection des défauts et la modélisation financière. Les systèmes de D-Wave sont utilisés par certaines des organisations les plus avancées au monde, notamment NEC, Volkswagen, DENSO, Lockheed Martin, USRA, USC, et Laboratoire national de Los Alamos. Avec son siège social près de Vancouver, au Canada, les opérations américaines de D-Wave sont basées à Palo Alto, en Californie. D-Wave possède une base d’investisseurs de premier ordre, notamment PSP Investments, Goldman Sachs, BDC Capital, NEC Corp. et In-Q-Tel.

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