Les chercheurs ont réalisé une percée dans la physique quantique en créant le cristal temporel le plus complexe à ce jour à l’intérieur d’un ordinateur quantique. Cette expérience ne se contente pas de repousser les limites de ce qui est possible avec ces états exotiques de la matière ; il met également en évidence le potentiel croissant des ordinateurs quantiques en tant qu’outils puissants de découverte scientifique.
Le monde étrange des cristaux du temps
Les cristaux traditionnels présentent des motifs répétitifs dans l’espace : pensez à la disposition régulière des atomes dans un diamant. Les cristaux de temps, cependant, répètent des modèles dans le temps. Au lieu de rester assis, ils parcourent indéfiniment les configurations, défiant apparemment les règles habituelles de la thermodynamique.
Au départ, ce mouvement perpétuel semblait violer la physique, mais au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont réussi à créer des cristaux temporels en laboratoire. La dernière avancée, dirigée par Nicolás Lorente au Centre international de physique de Donostia en Espagne, utilise un ordinateur quantique supraconducteur IBM pour construire une version beaucoup plus complexe que jamais.
D’une dimension au nid d’abeille : un cristal temporel 2D
Les études précédentes se sont principalement concentrées sur les cristaux temporels unidimensionnels, semblables à une simple ligne d’atomes. L’équipe de Lorente a relevé le défi de construire un cristal temporel bidimensionnel. Ils ont utilisé 144 qubits supraconducteurs, disposés selon un motif en nid d’abeille, où chaque qubit agissait comme une particule à spin quantique. En contrôlant précisément les interactions entre ces qubits, ils ont induit le comportement des cristaux temporels.
La clé n’était pas seulement de créer le cristal temporel, mais également de programmer les interactions pour produire des forces et des modèles spécifiques. Ce niveau de contrôle leur a permis de tracer le « diagramme de phases » du système, essentiellement un tableau complet montrant tous les états possibles. Tout comme un diagramme de phase de l’eau révèle si elle est liquide, solide ou gazeuse, cette carte détaille le comportement du système quantique.
Pourquoi c’est important : les ordinateurs quantiques comme outils de conception matérielle
Jamie Garcia d’IBM, non affilié à la recherche, suggère que cette expérience pourrait être la première étape vers l’utilisation d’ordinateurs quantiques pour concevoir de nouveaux matériaux. Comprendre l’ensemble des propriétés d’un système quantique, même les plus inhabituelles comme les cristaux temporels, pourrait révolutionner la science des matériaux.
Actuellement, les simulations de modèles quantiques complexes sont trop exigeantes pour les ordinateurs conventionnels et nécessitent souvent des approximations. Mais même les ordinateurs quantiques existants ne sont pas parfaits ; ils souffrent d’erreurs. Cette recherche a nécessité une approche hybride : utiliser des méthodes conventionnelles pour estimer les points où les résultats de l’ordinateur quantique deviennent peu fiables, puis exploiter les calculs exacts (bien que sujets aux erreurs) de l’ordinateur quantique.
L’avenir des simulations quantiques
Biao Huang, de l’Université de l’Académie chinoise des sciences, note que la simulation numérique de systèmes bidimensionnels est notoirement difficile. Cette expérience, avec plus de 100 qubits, constitue une référence essentielle pour les recherches futures. De plus, cela pourrait combler le fossé entre les cristaux temporels simulés sur des ordinateurs quantiques et les états similaires trouvés dans les capteurs quantiques.
Ces travaux représentent des avancées expérimentales passionnantes dans plusieurs domaines d’étude de la matière quantique. Plus précisément, cela pourrait aider à connecter des cristaux temporels, qui peuvent être simulés sur des ordinateurs quantiques, à des états similaires qui peuvent être créés dans certains types de capteurs quantiques.
La combinaison de méthodes classiques approximatives et de calculs quantiques exacts (mais imparfaits) affinera notre compréhension des modèles quantiques complexes, ouvrant potentiellement la voie à de nouvelles avancées dans la conception des matériaux et au-delà.
Cette avancée renforce l’idée selon laquelle les ordinateurs quantiques ne sont pas seulement des processeurs plus rapides ; ce sont des machines fondamentalement différentes, capables de résoudre des problèmes hors de portée du calcul classique.
