EM – Un ordinateur quantique confirme que les cristaux temporels sont une nouvelle phase de la matière

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Des chercheurs de l’Université de Stanford, de Google Quantum AI, du Max Planck Institute for Complex Systems Physics et de l’Université d’Oxford ont créé un cristal temporel à l’aide du matériel informatique quantique Sycamore de Google.

Un cristal temporel est une nouvelle phase de la matière, prédite en 2012 par le prix Nobel de physique, Frank Wilczek, dont la structure atomique se répète, non seulement dans l’espace, mais aussi dans le temps.

Les atomes de solides cristallins, tels que le diamant, sont disposés de manière ordonnée selon un motif répétitif dans tout l’espace qu’ils occupent.

Les physiciens se demandent depuis près d’une décennie s’il pourrait également exister des solides cristallins dont la structure atomique pourrait également se répéter dans le temps : ils ont appelé cette hypothétique structure cristaux de temps.

Paradoxe quantiqueS’il existait, le cristal temporel devrait pouvoir réaliser quelque chose de paradoxal : conserver la stabilité atomique typique des solides cristallins, mais en même temps changer périodiquement sa structure cristalline, retrouvant sa configuration initiale après cette transformation.

Cela signifierait que, tandis que les diamants peuvent être éternels, car ils conservent leur structure atomique intacte, les cristaux de l’heure changeraient éternellement, sans apport d’énergie supplémentaire, comme une montre qui fonctionne pour toujours sans piles.

Ils seraient comme une sorte de machine à mouvement perpétuel qui bénéficie du principe de conservation de l’énergie, mais qui viole en même temps le deuxième principe de la thermodynamique, selon lequel l’énergie n’est ni créée ni détruite : elle est simplement transformée.

Cristal temporel quantiqueDe nouvelles recherches ont montré que cette phase surprenante de la matière, différente des phases solide, liquide, gazeuse et plasma, existe vraiment.

Il est également différent du condensat de Bose-Einstein, un autre état de la matière qui est obtenu lorsque certains matériaux atteignent des températures proches du zéro absolu : à ce moment-là, leurs atomes deviennent une seule entité aux propriétés quantiques.

La confirmation des cristaux temporels a été obtenue grâce à un ordinateur quantique, aboutissant ainsi à un long processus d’enquêtes précédentes qui ont ouvert la voie à la découverte maintenant réalisée.

Pour une raison quelconque, Wilczek a appelé cette phase qu’il avait imaginée cristal temporel quantique : il a fallu recourir au processeur Sycamore de Google, capable d’effectuer en seulement 200 secondes une tâche pour laquelle le supercalculateur le plus rapide du monde aurait besoin de 10 000 ans, pour confirmer son existence.

Laboratoire quantiquePour y parvenir, les chercheurs ont réalisé une série d’« expériences » traitant cet ordinateur quantique comme un laboratoire pour tester si le cristal temporel proposé répondait à certaines exigences.

Le résultat obtenu est le premier à vérifier expérimentalement qu’une phase de la matière peut exister en dehors de l’équilibre thermique, souligne Physic World.

Ce magazine souligne également que c’est la première fois que toutes les exigences d’une phase de déséquilibre de la matière sont rigoureusement vérifiées.

Il y a un autre résultat indirect de cette recherche non moins pertinent : que même les processeurs quantiques à échelle intermédiaire (NISQ), tels que Sycamore, ont des implications importantes pour notre compréhension de la physique.

De nouvelles opportunitésCela signifie que cette recherche jette les bases fondamentales de l’utilisation des dispositifs NISQ dans l’étude des phénomènes de déséquilibre, selon les scientifiques.

Les chercheurs soulignent à cet égard dans une déclaration que l’importance de leur découverte réside non seulement dans la création d’une nouvelle phase de la matière, mais également dans l’ouverture d’opportunités pour explorer de nouveaux régimes dans le domaine de la physique de la matière condensée. , qui étudie les caractéristiques physiques macroscopiques de la matière.

Ils ajoutent que les résultats de Sycamore fournissent une référence pratique pour d’autres expériences basées sur des processeurs quantiques combinées à l’informatique classique.

Modèle pour le futur Ils considèrent qu’ils n’ont étudié qu’un petit coin de physique possible jusqu’à présent, et que les processeurs quantiques permettent à des régimes physiques entièrement nouveaux d’être accessibles et pertinents. Ils ajoutent que leurs travaux devraient servir de modèle pour ces futures explorations.

Ils concluent que l’informatique quantique est configurée comme la plate-forme nécessaire au développement de la physique fondamentale, potentiellement capable de découvrir des phénomènes qui n’ont même pas encore été imaginés.

L’auteur principal de cette recherche, Vedika Khemani, professeure adjointe de physique à l’Université de Stanford, a reçu cette année le prix New Horizons in Physics de la Breakthrough Prize Foundation « pour ses travaux théoriques pionniers dans la formulation de nouvelles phases de matière quantique qui ne sont pas en équilibre. , y compris les cristaux de temps. ‘

Après avoir vérifié l’existence des cristaux temporels, Khemani considère que « bien qu’une grande partie de notre compréhension de la physique de la matière condensée soit basée sur des systèmes d’équilibre, ces nouveaux dispositifs quantiques nous offrent une fenêtre fascinante sur de nouveaux régimes de non-équilibre dans la physique de nombreux corps “.

ReferenceTime-Crystalline Eigenstate Order sur un processeur quantique. Xiao Mi et al. Nature 2021. DOI : https : //doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w

Photo du haut : la puce Google Sycamore utilisée pour créer un cristal temporel. (Crédit image : Google Quantum AI)

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