août 7, 2022

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Stanford et Google collaborent pour créer des cristaux temporels à l’aide d’ordinateurs quantiques

Une équipe de chercheurs comprenant des chercheurs de Stanford et de Google a créé et observé une nouvelle phase de la matière, connue sous le nom de cristal temporel.

Il y a un énorme effort mondial pour concevoir un ordinateur capable d’exploiter la puissance de la physique quantique pour effectuer des calculs d’une complexité sans précédent. Alors que de formidables obstacles technologiques s’opposent encore à la création d’un tel ordinateur quantique, les prototypes actuels peuvent encore réaliser des exploits impressionnants.

Par exemple, créer une nouvelle phase de matière appelée « cristal du temps ». Tout comme la structure d’un cristal se répète dans l’espace, un cristal temporel se répète dans le temps, et plus important encore, il le fait à l’infini et sans autre apport d’énergie – comme une horloge qui fonctionne indéfiniment sans piles. La poursuite de cette étape de la matière a été un défi de longue date en théorie et en expérimentation, un défi qui a finalement porté ses fruits.

Dans une recherche publiée le 30 novembre 2021 dans la revue tempérer la nature, une équipe de scientifiques de l’Université de Stanford, de Google Quantum Eye, du Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems et de l’Université d’Oxford ont détaillé la création d’un cristal temporel à l’aide de Google Sycamore Statistiques quantitatives Matériel.

Puce Google Sycomore

Puce Google Sycamore utilisée pour créer un cristal temporel. Crédit : Google Quantum AI

a déclaré Matteo Ippoliti, chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford et co-auteur principal du travail. « Au lieu du calcul, nous avons mis l’ordinateur au travail comme une nouvelle plate-forme expérimentale pour percevoir et découvrir de nouvelles phases de la matière. »

Pour l’équipe, l’excitation de leurs réalisations réside non seulement dans la création d’une nouvelle phase de la matière, mais aussi dans l’ouverture d’opportunités pour explorer de nouveaux systèmes dans le domaine de la physique de la matière condensée, qui étudie de nouveaux phénomènes et propriétés provoqués par les interactions collectives de nombreux choses dans le système. (Ces interactions peuvent être beaucoup plus riches que les propriétés d’organismes individuels.)

« Les cristaux temporels sont un exemple frappant d’un nouveau type de phase quantique de la matière hors d’équilibre », a déclaré Vidika Khemani, professeur adjoint de physique à l’Université de Stanford et auteur principal du document de recherche. « Alors qu’une grande partie de notre compréhension de la physique de la matière condensée dépend des systèmes d’équilibre, ces nouveaux dispositifs quantiques nous offrent une fenêtre fascinante sur de nouveaux systèmes hors d’équilibre en physique multicorps. »

Quel temps de cristal et ce qui ne l’est pas

Les ingrédients de base pour faire un cristal cette fois-ci sont les suivants : l’équivalent physique d’une mouche des fruits et quelque chose pour lui donner un coup de pouce. Drosophila in Physics est le modèle d’Ising, un outil de longue date pour comprendre divers phénomènes physiques – y compris les transitions de phase et le magnétisme – qui consiste en un réseau où chaque position de particule occupe qui peut être dans deux états, représentés par une rotation vers le haut ou vers le bas.

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Au cours de ses années de troisième cycle, Khimani a été son directeur de doctorat, Shivaji Sundi, puis en université de Princeton, et Achilleas Lazarides et Roderich Moessner de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes sont involontairement tombés sur cette recette pour fabriquer des cristaux de temps. Ils étudiaient les systèmes hors équilibre de nombreux corps – des systèmes où les particules « se bloquent » dans l’état dans lequel elles ont commencé et ne peuvent jamais se détendre dans l’état d’équilibre. Ils étaient intéressés à explorer les phases qui pourraient se développer dans de tels systèmes lorsqu’ils sont périodiquement « coupés » par le laser. Non seulement ils ont pu trouver des phases stables de non-équilibre, mais ils en ont trouvé une où le spin de la particule basculait entre des motifs qui se répétaient indéfiniment, deux fois plus longtemps que la commande du laser, créant un cristal temporel.

réfrigérateur de secours google

Une vue du réfrigérateur d’atténuation de Google, qui abrite une tranche de sycomore. Crédit : Google Quantum AI

Le mouvement périodique du laser définit un rythme spécifique de la dynamique. Normalement, la « danse » des enroulements devrait coïncider avec ce rythme, mais en même temps le cristal ne l’est pas. Au lieu de cela, les cycles tournent entre deux états, ne complétant le cycle qu’après avoir été frappés par le laser à deux reprises. Cela signifie que la cohérence du temps de compilation du système est désactivée. Les symétries jouent un rôle fondamental en physique et sont souvent brisées – expliquant les origines des cristaux ordinaires, des aimants et de nombreux autres phénomènes ; Cependant, la symétrie de translation temporelle se démarque car, contrairement à d’autres symétries, elle ne peut pas être rompue en équilibre. Le coup de pied périodique est une échappatoire qui rend possible les cristaux de temps.

Doubler la période d’oscillation est inhabituel, mais pas sans précédent. Les oscillations à longue durée de vie sont également très courantes dans la dynamique quantique de quelques systèmes de particules. Ce qui rend un cristal temporel unique, c’est qu’il s’agit d’un système de millions de choses qui présentent ce genre de comportement coordonné sans qu’aucune énergie n’entre. ou fuite.

« C’est une phase de la matière complètement robuste, où vous n’accordez pas de paramètres ou d’états, mais votre système est toujours quantique », a déclaré Sundy, professeur de physique à Oxford et co-auteur du document de recherche. « Il n’y a pas d’alimentation en énergie, il n’y a pas d’épuisement d’énergie, et cela continue pour toujours et implique de nombreuses particules hautement réactives. »

Bien que cela puisse sembler étrangement proche d’une « machine à mouvement perpétuel », un examen plus approfondi révèle que les cristaux temporels n’enfreignent aucune loi physique. L’entropie – une mesure du désordre dans un système – reste constante dans le temps, satisfaisant marginalement la deuxième loi de la thermodynamique en ne décroissant pas.

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Entre le développement de ce plan pour un cristal temporel et l’expérience sur ordinateur quantique qui lui a donné vie, plusieurs expériences menées par de nombreuses équipes de chercheurs différentes ont atteint de nombreux jalons cristallins à peu près dans le temps. Cependant, fournir tous les ingrédients de la recette de la « localisation à plusieurs corps » (le phénomène qui permet une cristallisation en temps fixe à l’infini) restait un défi majeur.

Pour Khemani et ses collaborateurs, la dernière étape vers le succès de Crystal consistait à travailler avec une équipe de Google Quantum AI. Ensemble, ce groupe a utilisé le matériel informatique quantique Sycamore de Google pour programmer 20 « spins » en utilisant la version quantique des éléments d’information d’un ordinateur classique, appelés qubits.

Révélant à quel point les cristaux temporels suscitent actuellement un intérêt, les cristaux ont de nouveau été déployés dans Science ce mois. Ce cristal a été créé à l’aide de qubits à l’intérieur du diamant par des chercheurs de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas.

Chances quantiques

Les chercheurs ont pu confirmer leur affirmation d’un cristal en temps réel grâce aux capacités spéciales d’un ordinateur quantique. Bien que la taille finie et le temps de cohérence du dispositif quantique (imparfait) signifiaient que leur expérience était limitée en taille et en durée – de sorte que les oscillations cristallines ne peuvent être observées que pendant quelques centaines de cycles plutôt qu’indéfiniment – les chercheurs ont conçu différents protocoles pour évaluer la stabilité de leur création. Celles-ci comprenaient l’exécution de la simulation en avant et en arrière dans le temps et sa mise à l’échelle.

« Nous avons pu utiliser l’ingéniosité d’un ordinateur quantique pour nous aider à analyser ses limites », a déclaré Moessner, co-auteur du document de recherche et directeur de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes. « Il nous a essentiellement expliqué comment corriger ses propres erreurs, afin que l’empreinte du comportement parfait d’un cristal temporel puisse être vérifiée grâce à des observations dans un temps limité. »

La signature principale d’un cristal temporel idéal est qu’il présente des oscillations indéterminées de toutes les personnes États. La vérification de ce pouvoir dans la sélection des états a été un défi expérimental majeur, et les chercheurs ont conçu un protocole pour examiner plus d’un million d’états de cristaux temporels en un seul cycle de l’appareil, ne nécessitant que quelques millisecondes d’exécution. C’est comme regarder un cristal physique sous plusieurs angles pour vérifier sa structure répétitive.

« La caractéristique unique de notre processeur quantique est sa capacité à créer des états quantiques très complexes », a déclaré Xiao Mei, chercheur chez Google et co-auteur principal du document de recherche. « Ces états permettent d’étudier efficacement les structures de phase du matériau sans avoir à étudier l’ensemble de l’espace de calcul, une tâche autrement inextricable. »

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Créer une nouvelle phase de la matière est sans aucun doute passionnant à un niveau fondamental. De plus, le fait que ces chercheurs aient pu le faire indique l’utilité croissante des ordinateurs quantiques pour des applications autres que l’informatique. « Je suis optimiste qu’avec des qubits plus nombreux et meilleurs, notre approche pourrait devenir une méthode majeure pour étudier la dynamique des déséquilibres », a déclaré Pedram Roshan, chercheur chez Google et auteur principal de l’article.

« Nous pensons que l’utilisation la plus excitante des ordinateurs quantiques à l’heure actuelle est celle de plates-formes pour la physique quantique fondamentale », a déclaré Ippoliti. « Avec les capacités uniques de ces systèmes, il y a de l’espoir que vous découvrirez de nouveaux phénomènes auxquels vous ne vous attendiez pas. »

Référence : « Eigenstate Time-Crystalline Ranking on a Quantum Processor » par Xiao Mi, Matteo Ippoliti, Chris Quintana, Ami Greene, Zijun Chen, Jonathan Gross, Frank Arute, Kunal Arya, Juan Atalaya, Ryan Babbush, Joseph C. Bardin, Joao Basso, Andreas Bengtsson, Alexander Bilmes, Alexander Borassa, Leon Brill, Michael Bruton, Bob Buckley, David A. Boyle, Brian Burkett, Nicholas Bushnell, Benjamin Quiarro, Roberto Collins, William Courtney, Drepto DeBroy, Sean Demora, Alan R. Dirk , Andrew Dunsworth, Daniel Ebbins, Katherine Erickson, Edward Farhey, Austin J. Fowler, Brooks Fox, Craig Gedney, Marisa Justina, Matthew P. Harrigan, Sean D. Harrington, Jeremy Hilton, Alan Ho, Sabrina Hong , Trent Huang, Ashley Hove, William J. Huggins, LB Evland, Sergey V. Isakov, Justin Evland, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Dvir Kafri, Tanuj Khattar, Seon Kim, Alexei Kitaev, Paul F. Klimov, Alexander N. Korotkov, Fedor Kostritsa, David Landhuis, Pavel Laptev, Joonho Lee, Kenny Lee, Aditya Locharl A, Eric Lucero, Orion Martin, Jarrod R MacLean, Trevor McCourt, Matt McQueen, Kevin C. Meow, Masoud Mohseni, Shirin Montazeri, Wojciech Morozkowicz , Ofer Naaman, Matthew Neely, Charles Neal, Michael Newman, Murphy Thomas Yusin née O’Brien, Alex Obrimshak, Eric Ostby, Balint Pato, Andrei Petukhov, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vladimir Schwarz, Yuan Su, Doug Strin, Marco Szalay, Matthew D. Trevithick, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jimmy Yao, Bing Yeh, Guo-Huan Yu, Adam Zilkmann, Hartmut Nevin, Sergio Boyxo, Vadim Smiliansky, Anthony Migrant, Julian Kelly, Yu Chen, SL Sunde, Rodrich Mosner, Constantin Kishidji, Fedramica Khoshani, 30 novembre 2021, tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04257-w

Les travaux ont été dirigés par l’Université de Stanford, Google Quantum AI, l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes et l’Université d’Oxford. La liste complète des auteurs est disponible sur tempérer la nature papier.

Cette recherche a été financée par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).Darpa), Google Research Award, Sloan Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation et Deutsche Forschungsgemeinschaft.