Dans une nouvelle étude publié dans Communications naturellesles scientifiques ont pour la première fois implémenté le cristal temporel ordonné topologiquement sur un processeur quantique.
Cela marque une nouvelle ère pour la technologie quantique, puisque les cristaux temporels ont toujours été difficiles à combiner avec l’ordre topologique. Cependant, la réalisation de cette combinaison ajoute de la stabilité et de la robustesse au système, une exigence pour les applications d’informatique quantique.
Les cristaux de temps sont une introduction récente à la science, avec l’idée proposée pour la première fois en 2012 par le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek. Il s’agit d’un système quantique qui peut naturellement osciller entre les états sans avoir besoin d’une source d’énergie externe continue.
En termes simples, les cristaux temporels sont un type de matériau dans lequel les atomes sont disposés périodiquement dans le temps plutôt que dans l’espace, comme le sont les cristaux ordinaires (comme les diamants).
Le système reste toujours dans l’état d’énergie le plus bas pendant les oscillations, c’est-à-dire le niveau du sol. Les cristaux temporels ont été confirmés expérimentalement en 2017 et ont des applications potentielles dans diverses technologies quantiques.
Atteindre un ordre topologique, ou un ordre global, dans les cristaux temporels peut s’avérer difficile en raison de leur nature dynamique. L’équipe de recherche visait à combler cette lacune en démontrant un cristal temporel topologiquement ordonné.
Phys.org s’est entretenu avec certains des chercheurs à l’origine de l’étude, notamment le Dr Liang Xiang, Wenjie Jiang, Zehang Bao, le professeur adjoint Qiujiang Guo et le professeur Haohua Wang de l’Université du Zhejiang et le professeur associé Dong-Ling Deng de l’Université Tsinghua. .
Parlant du processus permettant de donner vie à des cristaux temporels topologiquement ordonnés, les chercheurs ont déclaré : « La collaboration entre les physiciens théoriciens et l’équipe expérimentale permet de réaliser ce beau projet. L’objectif est de faire progresser la compréhension de l’ordre topologique dans les systèmes pilotés périodiquement. »
Le caractère unique des cristaux du temps
Les cristaux temporels présentent ce qu’on appelle une rupture de symétrie par translation temporelle. La traduction temporelle est une propriété des systèmes dans laquelle l’état du système ne change pas au fil du temps.
Dans le cas des cristaux temporels, cette symétrie est rompue puisque les cristaux temporels oscillent périodiquement entre différents états. Ce qui rend les cristaux temporels uniques, c’est qu’ils peuvent présenter un mouvement périodique dans le temps sans dissipation d’énergie.
Cependant, ils ne violent pas les lois sur la conservation.
Après avoir reçu une première poussée, le système commence à osciller à une fréquence inférieure à la force motrice. Les oscillations sont auto-entretenues en raison des interactions à plusieurs corps, créant des oscillations collectives et synchronisées.
Leur déséquilibre leur permet de maintenir un mouvement indéfiniment, même dans leur état fondamental. Cette rupture de symétrie est une forme de matière hors équilibre qui fait ressortir le caractère unique des cristaux temporels.
Ordre topologique
Un système peut être caractérisé via deux types de propriétés : locales et globales.
Les propriétés locales sont celles qui dépendent d’un environnement ou d’une position spécifique au sein d’un système, par exemple le spin d’un atome ou son moment magnétique.
Les propriétés globales, en revanche, dépendent de l’ensemble du système. Ces propriétés sont à longue portée par rapport aux propriétés locales, qui sont à courte portée. Un exemple de propriété globale est la supraconductivité.
L’ordre topologique est un type de propriété globale d’un système non décrit par des perturbations ou du bruit locaux. Il résulte d’un enchevêtrement à long terme au sein d’un système, ce qui signifie que les changements survenus dans une partie du système peuvent affecter une autre partie du système.
Les ordinateurs quantiques sont très sujets aux erreurs ou au bruit provenant de l’environnement. Ceux-ci peuvent interagir avec le système, entraînant une perte de cohérence. Cela signifie que le système ne peut plus maintenir la superposition et l’intrication, qui sont les caractéristiques essentielles d’un système quantique.
L’ordre topologique étant stable face aux perturbations locales, il présente un intérêt pour l’informatique quantique topologique.
Le défi lié à l’introduction d’un ordre topologique dans les cristaux temporels réside dans leur nature dynamique. L’ordre topologique nécessite des états de stabilité et d’équilibre, que les cristaux temporels ne présentent pas.
Qubits supraconducteurs programmables
Les chercheurs ont configuré leur processeur en utilisant 18 qubits transmon supraconducteurs programmables disposés dans un réseau carré bidimensionnel. Ces qubits sont plus stables que les autres.
Le réseau carré facilite les interactions entre qubits, ce qui contribue à générer l’intrication nécessaire aux algorithmes quantiques et à la correction d’erreurs (réduction du bruit).
Les chercheurs ont mis en évidence une caractéristique clé de leur configuration, le code de surface.
« Le code de surface est non seulement l’un des modèles les plus efficaces pour la correction d’erreurs quantiques, mais il prend également en charge des phases exotiques ordonnées topologiquement. Le processeur quantique développé par l’équipe expérimentale de l’Université du Zhejiang s’adapte naturellement au modèle de code de surface. »
« Cela en fait un banc d’essai idéal pour explorer ces états insaisissables ordonnés topologiquement et potentiellement étendre leurs frontières des systèmes d’équilibre aux systèmes hors équilibre », ont-ils expliqué.
Leur processeur a une profondeur de 700 couches de circuits et peut exécuter 2 300 portes à un seul qubit et 1 400 portes à deux qubits. Cela démontre sa capacité à gérer des calculs volumineux et complexes.
La plateforme peut également simuler les interactions à quatre corps, nécessaires à la modélisation de systèmes complexes. En outre, un algorithme de neuroévolution a été utilisé pour trouver des configurations optimales pour les circuits quantiques, susceptibles d’améliorer l’efficience et l’efficacité des calculs.
Les chercheurs ont ajouté : « Pour répondre aux exigences strictes d’observation de la dynamique des cristaux temporels topologiques à longue durée de vie, nous avons déployé d’énormes efforts pour améliorer les performances de notre processeur, qui possède des fidélités de porte et des qubits de pointe. temps de cohérence maintenant. »
Ordre des cristaux temporels topologiques robuste et stable
Les chercheurs ont découvert que le système pouvait maintenir un comportement stable à une fréquence fractionnaire de la force motrice, même face au bruit, démontrant ainsi sa stabilité. Le système s’est également stabilisé après avoir été perturbé sans aucune oscillation indésirable.
Le système est également resté stable malgré de petites fluctuations, ce qui signifie qu’il peut fonctionner dans des environnements bruyants. Lorsqu’il est confronté à des perturbations plus fortes, le système perd son comportement semblable à celui d’un cristal temporel.
L’équipe a découvert que l’intrication topologique du système correspondait à celle des prédictions théoriques, ce qui suggère que ses propriétés sont robustes et bien définies.
Pour les interactions de qubits à quatre corps, le système pourrait mesurer avec succès les interactions avec une grande précision. Le système pourrait également créer et vérifier des états quantiques pilotés périodiquement, prenant en charge son comportement périodique.
Les chercheurs ont commenté le potentiel de leur système en déclarant : « Nous pensons qu’avec l’augmentation de la taille du système, de la précision du contrôle et du temps de cohérence, les processeurs supraconducteurs permettront aux scientifiques d’explorer des phases de non-équilibre plus exotiques qui ne sont pas accessibles. en matériaux naturels. »
Ils mentionnent également que leur expérience a démontré tous les éléments de base nécessaires à la mise en œuvre d’un ordre topologique enrichi par Floquet qui héberge la permutation dynamique des anyons et les anyons non abéliens émergents.
« L’observation d’un phénomène aussi non conventionnel marquerait également une étape importante dans l’approfondissement de notre compréhension des phases exotiques hors équilibre », ont-ils fait remarquer.
Plus d’informations :
Liang Xiang et al, Ordre topologique temporel cristallin de longue durée sur un processeur quantique, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-53077-9
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