Raphael Thys
Prédit pour la première fois en 2012 par le physicien Frank Wilczek, le cristal temporel est une structure cristalline périodique s’étendant dans le temps et l’espace ; il s’agit d’une nouvelle phase de la matière hors équilibre : le cristal reste stable et ordonné malgré un état d’évolution et d’excitation constant (sans pour autant émettre de l’énergie). Récemment, une équipe de chercheurs de Google, de Stanford, Princeton et d’autres universités, ont déclaré avoir utilisé l’ordinateur quantique de Google, Sycamore, pour démontrer la réalité concrète des cristaux temporels, alors même qu’un certain nombre de physiciens les jugent encore comme impossibles.
L’ordinateur quantique de Google a été utilisé pour construire un « cristal temporel » selon des recherches récemment publiées, une nouvelle phase de la matière qui bouleverse les lois traditionnelles de la thermodynamique. Malgré ce que son nom pourrait suggérer, cependant, la nouvelle percée ne permettra pas à Google de construire une machine à remonter le temps…
Les cristaux temporels ont été proposés pour la première fois en 2012, en tant que systèmes fonctionnant en permanence hors d’équilibre. Contrairement aux autres phases de la matière, qui sont en équilibre thermique, les cristaux temporels sont stables, mais les atomes qui les composent évoluent constamment.
Cristaux temporels : un moyen d’étudier les phases hors équilibre de la matière
Du moins, c’est la théorie : les physiciens n’ont pas toujours été d’accord sur la faisabilité d’une telle chose dans la réalité. Différents niveaux de cristaux temporels qui pourraient ou ne pourraient pas être générés ont été discutés, avec des démonstrations de certains qui répondent en partie – mais pas complètement – à tous les critères pertinents.
Dans une nouvelle prépublication d’étude réalisée par des chercheurs de Google, ainsi que des physiciens de Princeton, Stanford et d’autres universités, il est affirmé que le projet d’ordinateur quantique de Google a réussi ce que beaucoup croyaient impossible. Les prépublications sont des versions d’articles universitaires qui sont publiés avant de passer par l’examen par les pairs et la publication complète ; en tant que telles, leurs conclusions peuvent être contestées ou même complètement annulées au cours de ce processus d’examen.
« Notre travail utilise un protocole d’inversion du temps qui discrimine la décohérence externe de la thermalisation intrinsèque, et tire parti de la typicité quantique pour contourner le coût exponentiel d’un échantillonnage dense du spectre propre. De plus, nous localisons la transition de phase hors du DTC avec une analyse expérimentale de taille finie. Ces résultats établissent une approche évolutive pour étudier les phases de non-équilibre de la matière sur les processeurs quantiques actuels », écrivent les auteurs.
Une démonstration de la faisabilité concrète des cristaux temporels
Le cristal temporel se compose essentiellement de trois éléments de base. Premièrement, une rangée de particules ayant chacune sa propre orientation magnétique est enfermée dans un mélange de configurations à basse et haute énergie. C’est ce qu’on appelle une « localisation à plusieurs corps ». L’inversion de toutes les orientations de ces particules — créant effectivement une version miroir — est connue sous le nom d’ordre d’état propre. Il s’agit en fait d’un état localisé secondaire à plusieurs corps.
Enfin, il y a l’application de la lumière laser. Cela provoque un cycle des états — de normal à miroir, puis de nouveau de miroir à normal —, mais sans réellement utiliser l’énergie nette du laser lui-même. Le résultat est connu sous le nom de « cristal temporel de Floquet », proposé pour la première fois en 2016. L’ordinateur quantique de Google – baptisé Sycamore – a pu utiliser une puce avec 20 de ses qubits, ou bits quantiques contrôlables, dont chacun peut maintenir deux états simultanément.
En ajustant la force d’interaction entre les qubits individuels, les chercheurs ont pu randomiser les interactions et réaliser une localisation à plusieurs corps. Les micro-ondes ont ensuite renversé les particules dans leur orientation miroir, mais sans que le changement de spin ne prenne l’énergie nette de ce laser.
Où exactement cela laisse à la fois la recherche théorique et les applications possibles d’un cristal temporel reste incertain. À l’heure actuelle, la principale implication selon les chercheurs est qu’il existe « une approche évolutive pour étudier les phases de non-équilibre de la matière sur les processeurs quantiques actuels » ; en bref, cela démontre que les ordinateurs quantiques pourraient au moins permettre d’étudier en détail la dynamique intrinsèque de la matière.