Il y a toujours eu certaines « règles de la route » en ce qui concerne notre univers, et l’une d’entre elles est la Deuxième loi de la thermodynamique.

Cette loi stipule que lorsque l’énergie passe d’une forme à une autre, ou lorsque la matière se déplace librement, entropie (désordre) dans un système fermé augmente toujours. L’entropie est une mesure de la propagation de la matière et de l’énergie partout dans l’Univers auquel elle a accès.

La meilleure façon de comprendre l’entropie est de considérer ma cuisine : chaque jour, il y a de la vaisselle sale dans l’évier et les plans de travail sont recouverts de diverses substances. Chaque jour, je lave la vaisselle et nettoie les plans de travail, diminuant ainsi leur entropie, mais dès le lendemain, l’évier est à nouveau plein de vaisselle sale et les plans de travail sont couverts.

C’était le sort de tout dans notre Univers jusqu’au 29 juillet 2021. C’est alors que les chercheurs a posté une prépublication sur le site Web arXiv intitulé « Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor », qui annonçait la découverte de « cristaux temporels ». Une prépublication est un article universitaire qui n’a pas encore été évalué par des pairs ou officiellement publié. Les conclusions d’une préimpression peuvent être contestées ou même complètement annulées.

Si vous vous dites : « Quel est le problème, j’ai déjà entendu parler des cristaux de temps », c’est peut-être parce qu’ils ont été un incontournable de la longue série de science-fiction de la BBC, Dr Who. En effet, le site de fans Wiki DWLegacy déclare : « Le moyen le plus sûr d’obtenir des cristaux temporels est de les acheter… Ils sont vendus par lots de 1, 6, 13, 27 et 70… » Dans le monde réel, cependant, les cristaux temporels sont un peu plus durs passer, rendre visite, arriver avant.

Qu’est-ce qu’un « cristal du temps » ?

Un cristal temporel est un objet composé d’un roman phase de matière et qui se déplace selon un cycle régulier et répétitif en continu et sans utiliser d’énergie. L’un des découvreurs des cristaux temporels, Roderich Moessner, directeur de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, en Allemagne, a récemment a déclaré à Quanta Magazine, qu’avec les cristaux de temps, « Vous échappez à la deuxième loi de la thermodynamique. » C’est une grosse affaire !

Les cristaux de temps sont les premiers objets jamais créés qui brisent spontanément la « symétrie de traduction du temps ». Une traduction n’est qu’un mouvement d’un endroit à un autre, que ce soit dans l’espace ou dans le temps. Jusqu’à présent, un objet stable se déplaçant dans le temps devrait rester le même, mais pas les cristaux temporels. Ils sont tous les deux stable et en constante évolution en même temps.

Les cristaux de temps sont en fait un nouveau phase de la matière. Jusqu’à présent, les quatre phases de la matière, qui dépendent toutes de la température, sont : solide, liquide, gazeux et plasma.

Dans la phase solide, les molécules d’un objet sont étroitement liées entre elles et le volume d’un solide est déterminé par sa forme.

En phase liquide, les forces moléculaires sont plus faibles qu’en phase solide, mais un liquide a toujours un volume fixe, et il prend la forme de son contenant.

En phase gazeuse, les forces moléculaires sont très faibles, et un gaz prend à la fois la forme et le volume de son contenant.

La phase plasma ne se produit que pendant des températures et des pressions très élevées, lorsque les électrons sont retirés de leurs orbites autour du noyau d’un atome et laissent derrière eux un ion chargé positivement. Il en résulte un mélange d’atomes chargés de manière neutre, d’électrons libres chargés négativement et d’ions chargés positivement. Ce mélange, ou plasma, répond et génère à la fois des forces électromagnétiques.

Dans les quatre phases, les atomes sont bloqués dans l’état d’énergie le plus bas autorisé par la température ambiante et ils ne changent pas avec le temps. Un cristal temporel est la première phase « hors d’équilibre » de la matière qui, bien que stable, est également dans un état évolutif.

Dr Who ou Dr Wilczek ?

Les cristaux temporels ont été imaginés pour la première fois en 2012 par le professeur du MIT, lauréat du prix Nobel Frank Wilczek qui enseignait alors un cours sur les cristaux réguliers. Dans les cristaux réguliers, les atomes individuels préférer être à un point précis de l’espace, et les exemples incluent le sel dans votre salière et les flocons de neige.

Wilczek a commencé à examiner comment les cristaux pourraient se comporter au fil du temps, certains d’entre eux subissant un mouvement périodique puis revenant à leur configuration initiale. La notion la plus intéressante dans l’idée de cristal du temps de Wilczek était la suivante ; malgré leur déplacement, les cristaux de temps ne nécessiteraient aucun apport d’énergie et leur mouvement continuerait indéfiniment, tout comme une machine à mouvement perpétuel.

En 2014, le concept de cristal temporel de Wilczek avait été abattu par Haruki Watanabe et Masaki Oshikawa dans un article intitulé « Absence of Quantum Time Crystals ». Les auteurs ont déclaré : « Par analogie avec les solides cristallins qui nous entourent, Wilczek a récemment proposé l’idée de « cristaux de temps » en tant que phases qui cassent spontanément la traduction du temps continu en un sous-groupe discret… ici, nous présentons d’abord une définition des cristaux de temps basée sur les fonctions de corrélation dépendantes du temps du paramètre d’ordre.Nous prouvons ensuite un théorème de non-prise qui exclut la possibilité de cristaux de temps définis comme tels, dans l’état fondamental ou dans l’ensemble canonique d’un hamiltonien général, qui consiste en non- interactions à trop longue portée. » Tout ce que vous devez retenir de cette déclaration est la partie « no-go ».

Puis, en 2015, un étudiant diplômé en physique à Princeton nommé Vedika Khemani, avec Moessner, Shivaji Sondhi qui était le docteur de Khemani. conseiller, et Achilleas Lazarides de l’Université de Loughborough au Royaume-Uni ont publié un article décrivant des méthodes possibles pour créer des cristaux de temps, et il a déclenché une course de cinq ans entre le groupe de Khemani et un autre groupe de physiciens pour créer le premier cristal de temps. Cependant, aucun de leurs efforts n’a été couronné de succès, et c’est à ce moment-là que Khemani et sa société ont eu l’idée d’approcher Google.

Entrez Sycomore

En 2019, l’ordinateur quantique Sycamore de Google a accompli une tâche en 200 secondes qui aurait pris 10 000 ans à un ordinateur ordinaire à résoudre. Après cela, les scientifiques ont pu rendre l’ordinateur ordinaire plus intelligent afin qu’il ne faille pas autant de temps pour résoudre le même problème. C’était bien que Sycamore ait résolu ce problème parce qu’il n’avait pas trop réussi jusque-là. Sycomore était encore trop sujet aux erreurs pour résoudre des problèmes cryptographiques ou algorithmiques, alors quand Google Scholar Kostya Kechedji a été approché par Khemani et son équipe, il était ravi de mettre sa machine au travail comme outil scientifique pour étudier une nouvelle physique ou chimie.

À l’automne 2014, Khemani avait rejoint Sondhi, qui était en congé sabbatique à l’Institut Max Planck de Dresde, en Allemagne. Là, Khemani et Sondhi ont commencé à regarder le travail du physicien lauréat du prix Nobel Philippe Anderson, en particulier dans un domaine de la mécanique quantique appelé Localisation d’Anderson. Cela implique un électron, qui peut normalement être représenté comme une onde qui s’étale dans le temps. Plus l’amplitude de l’onde est élevée à certains endroits, plus grande est la probabilité de trouver l’électron à cet endroit.

Anderson avait découvert qu’un défaut aléatoire dans un réseau cristallin peut provoquer la rupture de l’onde d’un électron, lui permettant d’interférer avec lui-même. Cela signifiait que la vague était annulée partout, sauf à un très petit endroit. Ensuite, une équipe des universités de Princeton et de Columbia a découvert que plusieurs particules pouvaient également rester bloquées dans un état fixe similaire.

Également à l’Institut Max Planck, avec Khemani et Sondhi, étaient Moessner et Lazarides, qui travaillaient à « chatouiller » des cristaux avec un laser. Les quatre se sont rapidement rendu compte que s’ils chatouillaient une chaîne localisée de particules d’une certaine manière, les spins des particules allaient et venaient entre deux états en continu, et sans absorber aucune énergie du laser.

Le groupe a publié ses découvertes, qualifiant la nouvelle entité de « phase de verre de spin pi », mais il a fallu un critique de l’article pour se rendre compte que ce qui avait été réellement découvert étaient des cristaux temporels. En mars 2016, l’autre groupe de physiciens à la recherche de cristaux temporels, composé de Chetan Nayak, maintenant de Microsoft Station Q et de l’Université de Californie, Santa Barbara, Dominic Else et Bela Bauer, a publié un article décrivant Floquet de cristaux de temps.

Le mois dernier, ce groupe a rapporté dans le journal Science qu’ils avaient créé des cristaux temporels « préthermaux », qui ne fonctionneraient pas éternellement et viendraient plutôt à l’équilibre. C’est à ce moment-là que Moessner et sa société ont réalisé que Sycamore avait tout ce dont ils avaient besoin pour créer un cristal temporel qui changerait d’état en permanence et ne nécessiterait aucun apport d’énergie.

Comme tous les ordinateurs quantiques, Sycomore est composé de « qubits », qui sont des particules quantiques qui peuvent être dans deux états possibles simultanément. Les qubits de Sycamore sont des bandes d’aluminium supraconductrices que les ingénieurs de Google ont programmées pour simuler le spin d’une particule, pointant vers le haut ou vers le bas.

En ajustant la force des interactions entre les qubits, une interférence destructive a été introduite, qui était la même que celle produite par des défauts aléatoires dans un cristal, et les 20 qubits ont été verrouillés dans une orientation définie. Les chercheurs ont ensuite chatouillé le système avec des micro-ondes, ce qui a fait basculer le système entre deux « états localisés à plusieurs corps » ; les spins n’ont ni absorbé ni dissipé l’énergie des micro-ondes, ce qui a laissé le désordre, ou l’entropie, du système inchangé.

De la même manière que le calcul a été simultanément et indépendamment découvert par Isaac Newton et Gottfried Wilhelm Leibniz, le 5 juillet 2021 — attention, les deux avaient une rude rivalité en cours — une troisième équipe de chercheurs de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas a rapporté qu’ils avaient eux aussi construit un cristal temporel, cette fois dans un diamant.

Une utilisation pour les cristaux de temps

Alors qu’un cristal temporel est la première phase hors équilibre de la matière, bien d’autres pourraient être possibles. Même si Albert Einstein avancé dans l’unification de l’espace et du temps en ce que nous appelons désormais « espace-temps », il n’en demeure pas moins que le temps est encore fondamentalement différent, en ce sens qu’il ne s’écoule que dans un seul sens.

En ce qui concerne les utilisations potentielles des cristaux temporels, les qubits dans les ordinateurs quantiques présentent une superposition, c’est-à-dire qu’ils peuvent exister dans plusieurs états à la fois. Cela signifie que les données entrées dans un ordinateur quantique, stockées dans celui-ci ou sorties de celui-ci changeront en fonction du moment où elles sont observées. En générant des cristaux temporels en bits quantiques, cela rendrait ces données toujours visibles. En d’autres termes, cela permettrait aux utilisateurs de visualiser les données exactes dont ils ont besoin, avec une forte probabilité qu’elles soient correctes.

Personnellement, je pense que la meilleure utilisation des cristaux de temps serait dans ma cuisine, où dans un état il y aurait de la vaisselle sale et des comptoirs en désordre, et dans l’autre état, ils seraient tous les deux propres. Et, mieux encore, je n’aurais rien à faire.