Google Quantum AI tresse des anyons non abéliens pour la première fois

Notre intuition nous dit qu’il devrait être impossible de voir si deux objets identiques ont été permutés, et pour toutes les particules observées à ce jour, cela a été le cas. Jusqu’ici.

Les anyons non abéliens – les seules particules dont on a prédit qu’elles enfreindraient cette règle – ont été recherchés pour leurs caractéristiques fascinantes et leur potentiel à révolutionner l’informatique quantique en rendant les opérations plus robustes au bruit. Microsoft et d’autres ont choisi cette approche pour leur effort d’informatique quantique. Mais après des décennies d’efforts des chercheurs dans le domaine, l’observation d’anyons non abéliens et de leur comportement étrange s’est avérée difficile, c’est le moins qu’on puisse dire.

Dans un papier posté sur le serveur de prépublication arXiv en octobre dernier et publié dans Nature Aujourd’hui, des chercheurs de Google Quantum AI ont annoncé qu’ils avaient utilisé l’un de leurs processeurs quantiques supraconducteurs pour observer pour la toute première fois le comportement particulier d’anyons non abéliens.

Ils ont également démontré comment ce phénomène pouvait être utilisé pour effectuer des calculs quantiques. Plus tôt cette semaine, la société d’informatique quantique Quantinuum a publié une autre étude sur le sujet, complétant la découverte initiale de Google. Ces nouveaux résultats ouvrent une nouvelle voie vers le calcul quantique topologique, dans lequel les opérations sont réalisées en enroulant des anyons non abéliens les uns autour des autres comme des cordes dans une tresse.

Trond I. Andersen, membre de l’équipe Google Quantum AI et premier auteur du manuscrit, a déclaré : « Observer pour la première fois le comportement bizarre d’anyons non abéliens met vraiment en évidence le type de phénomènes passionnants auxquels nous pouvons désormais accéder avec les ordinateurs quantiques. »

Imaginez qu’on vous montre deux objets identiques et qu’on vous demande ensuite de fermer les yeux. Ouvrez-les à nouveau et vous voyez les deux mêmes objets. Comment pouvez-vous déterminer s’ils ont été échangés ? L’intuition dit que si les objets sont vraiment identiques, il n’y a aucun moyen de le savoir.

La mécanique quantique soutient cette intuition, mais seulement dans notre monde tridimensionnel familier. Si les objets identiques sont limités à se déplacer uniquement dans un plan bidimensionnel, parfois, notre intuition peut échouer et la mécanique quantique permet quelque chose de bizarre : les anyons non abéliens conservent une sorte de mémoire – il est possible de dire quand deux d’entre eux ont ont été échangés, bien qu’ils soient complètement identiques.

Cette « mémoire » des anyons non abéliens peut être considérée comme une ligne continue dans l’espace-temps : la soi-disant « ligne du monde » de la particule. Lorsque deux anyons non abéliens sont échangés, leurs lignes d’univers s’enroulent l’une autour de l’autre. Enveloppez-les de la bonne manière, et les nœuds et tresses qui en résultent forment les opérations de base d’un ordinateur quantique topologique.

L’équipe a commencé par préparer ses qubits supraconducteurs dans un état quantique intriqué bien représenté sous forme de damier – une configuration familière pour l’équipe de Google, qui a récemment a démontré une étape importante dans la correction d’erreur quantique en utilisant cette configuration. Dans l’arrangement en damier, des particules apparentées – mais moins utiles – appelées anyons abéliens peuvent émerger.

Pour réaliser des anyons non abéliens, les chercheurs ont étiré et écrasé l’état quantique de leurs qubits pour transformer le motif en damier en polygones aux formes étranges. Des sommets particuliers dans ces polygones hébergeaient les anyons non abéliens. Utilisant un protocole développé par Eun-Ah Kim à l’Université Cornell et l’ancien post-doctorant Yuri Lensky, l’équipe pourrait alors déplacer les anyons non abéliens en continuant à déformer le réseau et en déplaçant les emplacements des sommets non abéliens.

Dans une série d’expériences, les chercheurs de Google ont observé le comportement de ces anyons non abéliens et comment ils interagissaient avec les anyons abéliens plus banals. Le tissage des deux types de particules l’un autour de l’autre a produit des phénomènes bizarres – des particules disparaissaient mystérieusement, réapparaissaient et se métamorphosaient d’un type à l’autre alors qu’elles s’enroulaient l’une autour de l’autre et se heurtaient.

Plus important encore, l’équipe a observé la caractéristique des anyons non abéliens : lorsque deux d’entre eux ont été échangés, cela a provoqué un changement mesurable dans l’état quantique de leur système – un phénomène frappant qui n’avait jamais été observé auparavant.

Enfin, l’équipe a démontré comment le tressage d’anyons non abéliens pouvait être utilisé dans les calculs quantiques. En tressant ensemble plusieurs anyons non abéliens, ils ont pu créer un état intriqué quantique bien connu appelé l’état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).

La physique des particules non abéliennes est également au cœur de l’approche que Microsoft a choisie pour son effort de calcul quantique. Alors qu’ils tentent de concevoir des systèmes matériels qui hébergent intrinsèquement ces anyons, l’équipe de Google a maintenant montré que le même type de physique peut être réalisé sur leurs processeurs supraconducteurs.

Cette semaine, la société d’informatique quantique Quantinuum a publié une étude complémentaire impressionnante qui a également démontré un tressage non abélien, dans ce cas en utilisant un processeur quantique à ions piégés. Andersen est ravi de voir d’autres groupes d’informatique quantique observer également le tressage non abélien. Il dit: « Il sera très intéressant de voir comment les anyons non abéliens seront utilisés dans l’informatique quantique à l’avenir, et si leur comportement particulier peut détenir la clé de l’informatique quantique topologique tolérante aux pannes. »