La recherche utilisant un ordinateur quantique comme plate-forme physique pour les expériences quantiques a trouvé un moyen de concevoir et de caractériser des objets magnétiques sur mesure à l’aide de bits quantiques, ou qubits. Cela ouvre une nouvelle approche pour développer de nouveaux matériaux et une informatique quantique robuste.
« Avec l’aide d’un recuit quantique, nous avons démontré une nouvelle façon de modéliser les états magnétiques », a déclaré Alejandro Lopez-Bezanilla, un expérimentateur virtuel de la division théorique du laboratoire national de Los Alamos. Lopez-Bezanilla est l’auteur correspondant d’un article sur la recherche en Avancées scientifiques.
« Nous avons montré qu’un réseau quasi-cristal magnétique peut héberger des états qui vont au-delà des états zéro et un bit de la technologie de l’information classique », a déclaré Lopez-Bezanilla. « En appliquant un champ magnétique à un ensemble fini de spins, nous pouvons transformer le paysage magnétique d’un objet quasi cristallin. »
« Un quasi-cristal est une structure composée par la répétition de certaines formes de base suivant des règles différentes de celles des cristaux réguliers », a-t-il déclaré.
Pour ce travail avec Cristiano Nisoli, un physicien théoricien également à Los Alamos, un ordinateur de recuit quantique D-Wave a servi de plate-forme pour mener de véritables expériences physiques sur des quasicristaux, plutôt que de les modéliser. Cette approche « laisse la matière vous parler », a déclaré Lopez-Bezanilla, « car au lieu d’exécuter des codes informatiques, nous passons directement à la plate-forme quantique et définissons toutes les interactions physiques à volonté ».
Les hauts et les bas des qubits
Lopez-Bezanilla a sélectionné 201 qubits sur l’ordinateur D-Wave et les a couplés les uns aux autres pour reproduire la forme d’un quasi-cristal de Penrose.
Depuis que Roger Penrose dans les années 1970 a conçu les structures apériodiques qui portent son nom, personne n’avait mis en rotation chacun de leurs nœuds pour observer leur comportement sous l’action d’un champ magnétique.
« J’ai connecté les qubits pour qu’ils reproduisent tous ensemble la géométrie de l’un de ses quasi-cristaux, le soi-disant P3 », a déclaré Lopez-Bezanilla. « À ma grande surprise, j’ai observé que l’application de champs magnétiques externes spécifiques sur la structure faisait que certains qubits présentaient des orientations vers le haut et vers le bas avec la même probabilité, ce qui conduit le quasi-cristal P3 à adopter une riche variété de formes magnétiques. »
La manipulation de la force d’interaction entre les qubits et les qubits avec le champ externe amène les quasicristaux à se déposer dans différents arrangements magnétiques, offrant la perspective de coder plus d’un bit d’information dans un seul objet.
Certaines de ces configurations ne présentent aucun ordre précis de l’orientation des qubits.
« Cela peut jouer en notre faveur », a déclaré Lopez-Bezanilla, « car ils pourraient potentiellement héberger une quasi-particule quantique d’intérêt pour les sciences de l’information ». Une quasi-particule de spin est capable de transporter des informations insensibles au bruit extérieur.
Une quasi-particule est un moyen pratique de décrire le comportement collectif d’un groupe d’éléments de base. Des propriétés telles que la masse et la charge peuvent être attribuées à plusieurs spins se déplaçant comme s’ils n’en formaient qu’un.
Plus d’information:
Alejandro Lopez-Bezanilla, Phases magnétiques induites par le champ dans un quasi-cristal de Penrose qubit, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adf6631. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf6631