Une équipe de scientifiques a créé une étrange phase de la matière baptisée cristal temporel dans le processeur quantique Sycamore de Google.

Les cristaux temporels ressemblent à quelque chose qu’un personnage de jeu vidéo essaierait de collectionner, mais cette phase bizarre de la matière est bien réelle – et l’un d’entre eux a été créé dans le processeur quantique de Google, Sycamore.

Les cristaux ordinaires sont caractérisés par une structure hautement ordonnée d’atomes dans un motif répétitif. Si ces atomes se répètent dans l’espace, pourrait-il exister d’autres cristaux dont le motif se répète dans le temps ? Et à quoi cela pourrait-il ressembler ? En 2012, le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek a émis l’hypothèse que ces cristaux dits temporels pouvaient exister, et en 2016, ils avaient été créés expérimentalement en laboratoire. Des études ultérieures les ont trouvés dans un kit de cristallographie pour enfants, et les ont observés en interaction les uns avec les autres.

Dans un cristal temporel, les atomes présentent un mouvement selon un schéma qui se répète périodiquement – ainsi, par exemple, leurs spins se retournent de haut en bas dans un mouvement de tic-tac prévisible. Mais là où les choses se compliquent, c’est que ce rythme ne suit pas la fréquence de la force qui l’a déclenché. Dans un système parfait, les atomes continueront à « tic toquer » indéfiniment sans aucune autre intervention.

Une analogie courante est le bol de gélatine le plus bizarre du monde. Normalement, si vous tapez dessus, vous vous attendez à ce qu’il s’agite pendant quelques secondes, puis s’arrête, jusqu’à ce que vous le tapiez à nouveau. Ce à quoi on ne s’attendrait pas, c’est qu’elle passe l’éternité à se trémousser et à ne pas se trémousser, après seulement deux tapotements, mais c’est ce que fait un cristal temporel.

Cela peut sembler un paradoxe qui se rapproche un peu trop d’une machine à mouvement perpétuel, mais les cristaux temporels n’enfreignent techniquement pas les lois de la thermodynamique. L’énergie est conservée dans le système dans son ensemble et l’entropie (une mesure du désordre) ne diminue pas mais reste constante.

Aujourd’hui, des chercheurs ont mis en évidence un cristal temporel dans le processeur quantique de Google, Sycamore. L’équipe a frappé un réseau de 20 qubits (bits d’information quantiques) avec un laser, afin de déclencher le « tic-tac ». Ensuite, les qubits ne changent de spins qu’une fois toutes les deux impulsions laser, brisant ainsi la symétrie de translation du temps et créant un cristal temporel. L’équipe précise qu’il s’agit du premier cristal temporel à présenter une « localisation à plusieurs corps », un phénomène qui en assure la stabilité.

Dans cette expérience particulière, les scientifiques n’ont pu observer le système que pendant quelques centaines de cycles, mais ils affirment avoir pu valider la stabilité à long terme des cristaux de temps à l’aide de simulations effectuées par l’ordinateur quantique lui-même.

« Nous avons réussi à utiliser la polyvalence de l’ordinateur quantique pour nous aider à analyser ses propres limites », explique Roderich Moessner, coauteur de l’étude. « Il nous a essentiellement indiqué comment corriger ses propres erreurs, de sorte que l’empreinte d’un comportement idéal de cristal de temps puisse être déterminée à partir d’observations en temps fini. »

https://news.stanford.edu/2021/11/30/time-crystal-quantum-computer/

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w