Les cristaux temporels ressemblent à quelque chose qu’un personnage de jeu vidéo essaierait de collecter, mais cette phase étrange de la matière est bien réelle – et maintenant l’un d’entre eux a été créé dans le processeur quantique de Google, Sycomore.

Les cristaux réguliers sont caractérisés par une structure hautement ordonnée d’atomes dans un motif répétitif. Donc, si ces atomes se répètent dans l’espace, d’autres cristaux pourraient-ils exister avec un motif qui se répète dans le temps à la place ? Et à quoi cela peut-il ressembler ? En 2012, le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek a émis l’hypothèse que ces soi-disant cristaux temporels pourraient exister, et en 2016, ils avaient été créé expérimentalement dans le laboratoire. Des études ultérieures les ont trouvés dans un kit de culture de cristal, et les a observés interagir les uns avec les autres.

Dans un cristal temporel, les atomes présentent un mouvement selon un motif qui se répète périodiquement – ainsi, par exemple, leurs spins montent et descendent dans un mouvement de tic-tac prévisible. Mais là où ça devient bizarre, c’est que ce rythme ne suit pas la fréquence de la force qui l’a déclenché, et dans un système parfait, les atomes continueront à tourner pour toujours sans aucune autre entrée.

Une analogie courante est le bol de gélatine le plus étrange du monde. Normalement, si vous appuyez sur l’objet, vous vous attendez à ce qu’il tremble pendant quelques secondes, puis s’arrête, jusqu’à ce que vous l’appuyiez à nouveau. Ce à quoi vous ne vous attendriez pas, c’est qu’il passe l’éternité à alterner entre secouer et ne pas se secouer, après seulement deux tapotements – mais c’est ce que fait un cristal temporel.

Cela peut sembler un paradoxe qui se rapproche un peu trop d’une machine à mouvement perpétuel, mais techniquement, les cristaux temporels n’enfreignent pas les lois de la thermodynamique. L’énergie est conservée dans l’ensemble du système et l’entropie (une mesure du désordre) ne diminue pas mais reste constante.

Maintenant, les chercheurs ont démontré un cristal temporel dans le processeur quantique de Google, Sycamore. L’équipe a zappé un réseau de 20 qubits – des bits d’information quantiques – avec un laser, pour lancer le « ticking ». Ensuite, les qubits n’inverseraient leurs spins qu’une fois toutes les deux impulsions laser, brisant la symétrie de translation du temps et créant un cristal temporel. Surtout, l’équipe dit que c’était la première fois que le cristal présentait une « localisation à plusieurs corps », un phénomène qui les maintient stables.

Dans cette expérience particulière, les scientifiques n’ont pu observer le système que pendant quelques centaines de cycles, mais ils disent avoir pu valider la stabilité à long terme des cristaux temporels à l’aide de simulations exécutées par l’ordinateur quantique lui-même.

« Nous avons réussi à utiliser la polyvalence de l’ordinateur quantique pour nous aider à analyser ses propres limites », explique Roderich Moessner, co-auteur de l’étude. « Il nous a essentiellement dit comment corriger ses propres erreurs, de sorte que l’empreinte du comportement cristallin du temps idéal puisse être déterminée à partir d’observations en temps fini. »

La recherche a été publiée dans la revue La nature.

La source: Stanford