Les scientifiques de Google disent maintenant de manière assez excitante que leurs résultats établissent une « approche évolutive » pour étudier les cristaux de temps sur les processeurs quantiques actuels.
Par Marko Aliaksandr / Shutterstock
Dans un nouveau document de recherche, les scientifiques de Google affirment avoir utilisé un processeur quantique pour une application scientifique utile: pour observer un véritable cristal du temps.
Si ‘time crystal’ sonne plutôt comme de la science-fiction, c’est parce qu’ils le sont. Les cristaux temporels ne sont rien de moins qu’une nouvelle « phase de la matière », comme le disent les chercheurs, qui est théorisée depuis quelques années comme un nouvel état qui pourrait potentiellement rejoindre les rangs des solides, des liquides, des gaz, des cristaux, etc. Le le papier reste en pré-impression et nécessite toujours un examen par les pairs.
Les cristaux de temps sont également difficiles à trouver. Mais les scientifiques de Google disent maintenant de manière assez excitante que leurs résultats établissent une « approche évolutive » pour étudier les cristaux de temps sur les processeurs quantiques actuels.
Comprendre pourquoi les cristaux temporels sont intéressants nécessite un peu de connaissances en physique – en particulier, la connaissance de la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que les systèmes ont naturellement tendance à se fixer dans un état connu sous le nom d' »entropie maximale ».
Pour prendre un exemple : si vous versez du lait dans une tasse à café, le lait finira par se dissoudre dans tout le café, au lieu de rester sur le dessus, permettant à l’ensemble du système de s’équilibrer. C’est parce qu’il y a beaucoup plus de façons pour que le café se répande au hasard dans le café qu’il n’y en a pour qu’il repose, de manière plus ordonnée, au sommet de la tasse.
Cette irrésistible poussée vers l’équilibre thermique, telle que décrite dans la deuxième loi de la thermodynamique, reflète le fait que toutes choses tendent à évoluer vers des états aléatoires moins utiles. Au fil du temps, les systèmes dégénèrent inévitablement dans le chaos et le désordre, c’est-à-dire l’entropie.
Les cristaux temporels, en revanche, ne parviennent pas à se stabiliser en équilibre thermique. Au lieu de dégénérer lentement vers le hasard, ils se retrouvent coincés dans deux configurations à haute énergie entre lesquelles ils basculent – et ce processus de va-et-vient peut se poursuivre indéfiniment.
Pour mieux expliquer cela, Curt von Keyserlingk, maître de conférences à l’école de physique et d’astronomie de l’Université de Birmingham, qui n’a pas participé à la dernière expérience de Google, extrait quelques diapositives d’un exposé introductif aux futurs étudiants de premier cycle. « Ils font généralement semblant de comprendre, donc cela peut être utile », prévient von Keyserlingk ZDNet.
Cela commence par une expérience de pensée : prenez une boîte dans un système fermé isolé du reste de l’univers, chargez-la avec quelques dizaines de pièces et secouez-la un million de fois. Au fur et à mesure que les pièces se retournent, tombent et rebondissent les unes sur les autres, elles changent de position au hasard et deviennent de plus en plus chaotiques. À l’ouverture de la boîte, on s’attend à ce que vous soyez confronté à environ la moitié des pièces sur la tête et la moitié sur la queue.
Peu importe que l’expérience ait commencé avec plus de pièces sur la queue ou plus de pièces sur la tête : le système oublie quelle était la configuration initiale, et il devient de plus en plus aléatoire et chaotique au fur et à mesure qu’il est secoué.
Ce système fermé, lorsqu’il est traduit dans le domaine quantique, est le cadre idéal pour tenter de trouver des cristaux de temps, et le seul connu à ce jour. « Les seuls cristaux temporels stables que nous avons envisagés dans les systèmes fermés sont la mécanique quantique », explique von Keyserlingk.
Entrez dans le processeur quantique de Google, Sycamore, qui est bien connu pour avoir atteint la suprématie quantique et cherche maintenant une sorte d’application utile pour l’informatique quantique.
Un processeur quantique, par définition, est un outil parfait pour reproduire un système de mécanique quantique. Dans ce scénario, l’équipe de Google a représenté les pièces dans la boîte avec des qubits tournant vers le haut et vers le bas dans un système fermé ; et au lieu de secouer la boîte, ils ont appliqué un ensemble d’opérations quantiques spécifiques qui peuvent changer l’état des qubits, qu’ils ont répétées plusieurs fois.
C’est là que les cristaux temporels défient toutes les attentes. L’examen du système après un certain nombre d’opérations, ou de secousses, révèle une configuration de qubits qui n’est pas aléatoire, mais ressemble plutôt à la configuration d’origine.
« Le premier ingrédient qui compose un cristal temporel est qu’il se souvient de ce qu’il faisait initialement. Il n’oublie pas », explique von Keyserlingk. « Le système de pièces dans une boîte oublie, mais pas le système de cristal temporel. »
Cela ne s’arrête pas là. Secouez le système un nombre pair de fois, et vous obtiendrez une configuration similaire à celle d’origine – mais secouez-le un nombre impair de fois, et vous obtiendrez une autre configuration, dans laquelle les queues ont été retournées à la tête et au vice. -versa.
Et quel que soit le nombre d’opérations effectuées sur le système, il basculera toujours, faisant régulièrement des allers-retours entre ces deux états.
Les scientifiques appellent cela une rupture dans la symétrie du temps – c’est pourquoi les cristaux de temps sont appelés ainsi. C’est parce que l’opération effectuée pour stimuler le système est toujours la même, et pourtant la réponse ne vient qu’une secousse sur deux.
« Dans l’expérience de Google, ils font un ensemble d’opérations sur cette chaîne de tours, puis ils font exactement la même chose encore et encore. Ils font la même chose à la centième étape qu’à la millionième étape, s’ils vont jusque-là », dit von Keyserlingk.
« Alors ils soumettent le système à un ensemble de conditions qui ont une symétrie, et pourtant le système réagit d’une manière qui brise cette symétrie. C’est la même chose toutes les deux périodes au lieu de chaque période. C’est ce qui en fait littéralement un cristal temporel. »
Le comportement des cristaux temporels, d’un point de vue scientifique, est fascinant : contrairement à tout autre système connu, ils ne tendent pas vers le désordre et le chaos. Contrairement aux pièces de monnaie dans la boîte, qui s’embrouillent et s’installent à peu près à moitié pile, elles contrecarrent la loi de l’entropie en se coinçant dans un état spécial de cristal temporel.
En d’autres termes, ils défient la deuxième loi de la thermodynamique, qui définit essentiellement la direction que prennent tous les événements naturels. Réfléchissez-y un instant.
De tels systèmes spéciaux ne sont pas faciles à observer. Les cristaux de temps sont un sujet d’intérêt depuis 2012, lorsque Frank Wilczek, professeur au MIT, lauréat du prix Nobel, a commencé à y penser ; et la théorie a été réfutée, débattue et contredite à plusieurs reprises depuis lors.
Plusieurs tentatives ont été faites pour créer et observer des cristaux temporels à ce jour, avec plus ou moins de succès. Le mois dernier seulement, une équipe de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas a publié une pré-impression montrant qu’ils avaient construit un cristal temporel dans un processeur de diamant, bien qu’un système plus petit que celui revendiqué par Google.
Les chercheurs du géant de la recherche ont utilisé une puce de 20 qubits pour servir de cristal temporel – bien plus, selon von Keyserlingk, que ce qui a été réalisé jusqu’à présent, et que ce qui pourrait être réalisé avec un ordinateur classique.
À l’aide d’un ordinateur portable, il est assez facile de simuler environ 10 qubits, explique von Keyserlingk. Ajoutez plus que cela, et les limites du matériel actuel sont bientôt atteintes : chaque qubit supplémentaire nécessite des quantités exponentielles de mémoire.
Le scientifique s’arrête avant de déclarer que cette nouvelle expérience est une démonstration de la suprématie quantique. « Ils ne sont pas assez loin pour que je puisse dire que c’est impossible à faire avec un ordinateur classique, car il pourrait y avoir un moyen astucieux de le mettre sur un ordinateur classique auquel je n’ai pas pensé », explique von Keyserlingk .
« Mais je pense que c’est de loin la démonstration expérimentale la plus convaincante d’un cristal temporel à ce jour. »
La portée et le contrôle de l’expérience de Google signifient qu’il est possible de regarder les cristaux de temps plus longtemps, d’effectuer des séries de mesures détaillées, de faire varier la taille du système, etc. En d’autres termes, il s’agit d’une démonstration utile qui pourrait véritablement faire avancer la science – et en tant que telle, elle pourrait être essentielle pour montrer le rôle central que les simulateurs quantiques joueront pour permettre les découvertes en physique.
Il y a bien sûr quelques mises en garde. Comme tous les ordinateurs quantiques, le processeur de Google souffre toujours de décohérence, ce qui peut provoquer une dégradation des états quantiques des qubits, et signifie que les oscillations des cristaux temporels s’éteignent inévitablement lorsque l’environnement interfère avec le système.
La pré-impression, cependant, soutient qu’à mesure que le processeur devient plus efficacement isolé, ce problème pourrait être atténué.
Une chose est sûre : les cristaux temporels ne seront pas de sitôt dans nos salons, car les scientifiques n’ont pas encore trouvé d’application utile définitive pour eux. Il est donc peu probable que l’expérience de Google visait à explorer la valeur commerciale des cristaux temporels ; il montre plutôt ce qui pourrait être une autre application précoce de l’informatique quantique, et encore une autre démonstration des prouesses technologiques de l’entreprise dans un nouveau domaine de développement très contesté.
