Cette machine quantique semble contredire le désir de désordre de l'univers.

L'un des premiers simulateurs quantiques a démontré un phénomène mystérieux: une série d'atomes qui revient périodiquement à un état ordonné. Les physiciens de course tentent d'expliquer ce qui se passe.

La fonte de la crème glacée n'est pas sujette au gel spontané. Cependant, l'un des simulateurs quantiques revient constamment à un état ordonné après que le système a atteint l'équilibre.

Le temps passera et même dans la pièce la plus rangée, il y aura un gâchis. Les vêtements, les livres et les papiers quitteront leur état ordonné et se disperseront sur le sol. Et, ennuyeux, cette tendance au désordre reflète une loi de la nature: le désordre a tendance à croître.

Si, par exemple, vous ouvrez le ballon du plongeur sous pression, les molécules d'air à l'intérieur s'envoleront et se disperseront dans la pièce. Placez un glaçon dans de l'eau chaude, et les molécules d'eau gelées dans un réseau cristallin ordonné briseront leurs liaisons et se disperseront. Lorsqu'il est mélangé et distribué, le système a tendance à s'équilibrer avec l'environnement, ce qu'on appelle la thermalisation.

Il s'agit d'un effet commun et intuitif auquel les physiciens s'attendaient à aligner 51 atomes de rubidium d'affilée et à les maintenir en place avec des lasers. Les atomes ont commencé avec une structure ordonnée et ont basculé entre l'état "fondamental" avec une énergie minimale et l'état excité. Les chercheurs ont suggéré que ce système se thermalisait rapidement: l'alternance des états sol et excité se calmerait presque immédiatement sous la forme d'une séquence aléatoire.

Au début, les séquences sont devenues désordonnées. Mais ensuite, à la surprise des scientifiques, ils sont revenus à leur séquence d'alternance d'origine. Après un mélange supplémentaire, les atomes sont revenus à leur configuration d'origine. Les états alternaient d'avant en arrière avec une fréquence plusieurs fois par microseconde - longtemps après que le système ait dû être thermisé.

Tout ressemblait à ce que vous aviez laissé tomber un glaçon dans de l'eau chaude, et il n'a pas simplement fondu, a déclaré Mikhail Lukin , physicien à l'Université Harvard et chef d'un groupe de scientifiques. «Nous voyons la glace fondre puis cristalliser, puis fondre et cristalliser à nouveau», a-t-il déclaré. "C'est quelque chose de très inhabituel."

Les physiciens ont appelé ce comportement étrange «cicatrices quantiques multi-particules». Les atomes, apparemment, portent l'empreinte du passé, comme une sorte de cicatrice, ce qui les fait revenir à la configuration d'origine encore et encore.

Au cours des 16 mois qui ont suivi la publication des travaux dans la revue Nature, plusieurs groupes de physiciens ont tenté de comprendre la nature de ces cicatrices quantiques. Certains pensent que cette découverte pourrait ouvrir une nouvelle catégorie d'interaction et de comportement des particules quantiques, niant les hypothèses des physiciens selon lesquelles un tel système évolue inexorablement vers la thermalisation. De plus, l'effet de cicatrisation peut conduire à la création de nouveaux types de bits quantiques de stockage à long terme, qui sont les ingrédients clés des futurs ordinateurs quantiques.

Surmonter la probabilité zéro

Les physiciens, en effet, lors de la construction d'un système de 51 atomes, ils avaient à l'esprit les calculs quantiques. Ce système a été conçu comme un simulateur quantique, une machine conçue pour simuler des processus quantiques qui ne peuvent pas être étudiés par d'autres méthodes à l'aide d'un ordinateur classique. À une époque, ce système était le plus grand simulateur quantique de tous.

Les atomes de la machine de Harvard servent de qubits, et leurs états, basiques ou excités, sont appelés états de Rydberg . Les chercheurs peuvent ajuster le système en modifiant, par exemple, la force de l'interaction des atomes entre eux.

Les chercheurs ont préparé plusieurs séquences initiales des états fondamental et excité des atomes. Puisque les atomes interagissent activement les uns avec les autres, ils doivent parvenir à la thermalisation. Mais au lieu d'interactions ressemblant à des molécules dans un gaz, les atomes dans un tel système quantique produisent une sorte de liaison quantique profonde, connue sous le nom d'intrication. "Et puis la confusion se propage", a déclaré Lukin. "C'est ainsi que la thermalisation se produit."


Mikhail Lukin

Et généralement, la complexité du simulateur augmentait. Cependant, lorsque les chercheurs ont lancé l'expérience, en arrangeant les atomes dans une séquence d'états excités et fondamentaux alternés, les particules se sont d'abord emmêlées, puis l'ont perdue, oscillant d'avant en arrière par rapport à la configuration d'origine.

Un tel comportement semblait improbable, au bord de l'impossible. Une fois que les atomes ont commencé à interagir, leur séquence alternée doit être oubliée très rapidement, car les atomes peuvent entrer dans un grand nombre de séquences possibles d'états excités et fondamentaux. Ceci est similaire à l'exemple d'un cylindre dont les molécules d'air quittent la configuration d'origine et se propagent dans la pièce. Pour leur distribution, il y a un grand nombre d'endroits, donc la probabilité qu'ils soient tous repliés accidentellement dans le conteneur est pratiquement nulle.

"Un système quantique peut exister dans autant d'états possibles qu'il serait extrêmement difficile pour lui de revenir à l'original", a déclaré Zlatko Papich , physicien à l'Université de Leeds en Angleterre.

Cependant, Lukin dit que c'est ce qu'ils ont observé. Le système est doté d'une sorte de physique spéciale, lui permettant de reprendre son propre chemin, a déclaré Papich. «Elle laisse une traînée de chapelure et retourne au début du chemin.»

"Il s'agit de la première découverte réelle faite avec une machine quantique", a déclaré Lukin.

Lukin et ses collègues ont commencé à décrire l'expérience, mais avant la publication de l'ouvrage, Lukin l'a décrite lors d'une conférence à Trieste italienne en juillet 2017. "Nous ne savions pas comment comprendre cela", a déclaré Papich, qui était dans l'auditoire ce jour-là. "Je ne pense pas que les personnes présentes aient eu des idées pour expliquer les raisons de cela."

Cicatrices dans le stade

Bientôt, cependant, Papich et ses collègues ont réalisé que ce comportement ressemble à un phénomène découvert il y a environ 30 ans. Dans les années 1980, le physicien Eric Geller de Harvard a étudié le chaos quantique: que se passerait-il si la mécanique quantique était appliquée aux systèmes chaotiques? En particulier, Geller a examiné le rebond des balles à l'intérieur du " Bunimovich Stadium " - une table rectangulaire aux coins arrondis. Le système est chaotique; pendant un temps suffisamment long, le ballon passera sur toutes les trajectoires possibles à l'intérieur du stade . Mais si vous lancez la balle sous un certain angle, elle suivra toujours le même chemin.

Dans une expérience de pensée, Geller a remplacé la balle par une particule quantique. "L'attente naïve est que si notre système classique est déjà chaotique", a déclaré Papich, puis après avoir ajouté les règles de la mécanique quantique, "nous pouvons nous attendre à un comportement encore plus chaotique." La fonction d'onde d'une particule - un ensemble mathématique abstrait de ses propriétés quantiques - doit être étalée autour du stade, au fur et à mesure que les vagues se propagent à travers l'étang. La probabilité de trouver une particule à un endroit spécifique du stade doit être égale pour tous ses points.


Une particule placée sur un stade Bunimovich peut montrer des cicatrices, des trajectoires où la probabilité de sa détection est élevée

Cependant, Geller a constaté que la fonction d'onde ne se propage pas uniformément, mais s'accumule sur des chemins répétant la trajectoire de l'exemple classique, le long duquel la balle se déplace sans fin. Comme si les vagues généraient une mémoire de cette trajectoire particulière. "C'est comme un chemin de retour pour les vagues", a déclaré Geller. «Ils veulent retourner à leur lieu de naissance.» Si simple. "

Étant sur cette trajectoire, la fonction d'onde de particules interfère de manière constructive avec elle-même, ajoutant des pics aux pics et des creux aux creux. En conséquence, la particule est le plus susceptible d'être quelque part le long du chemin. Sur le graphique, la distribution de probabilité ressemble à une version floue des trajectoires périodiques classiques. "Ils me semblent être des cicatrices", a déclaré Geller. Par conséquent, dans son travail en 1984, il les a appelés ainsi.

Un phénomène similaire peut peut-être s'expliquer par le fait qu'un système de 51 atomes revient à sa configuration d'origine, pensa Papich. Peut-être que la maison lui manque aussi.

Cicatrice laissant l'incision

Pour le découvrir, Papich et ses collègues ont analysé les états quantiques du modèle de système à 51 atomes. Ils ont trouvé que son étrange comportement oscillatoire ressemblait vraiment aux cicatrices quantiques de Geller. Ils ont identifié des conditions qui ressemblaient à ces cas particuliers qui correspondaient aux trajectoires des cicatrices. En revenant périodiquement dans ces états, le système pourrait éviter la thermalisation. Le lien avec la cicatrisation quantique était suffisamment fort pour que dans leur travail de l'année dernière, publié dans la revue Nature Physics, ils aient appelé ce phénomène «cicatrisation quantique multiparticulaire».

Malgré le scepticisme initial provoqué par l'analyse de Papich, Lukin, ainsi que Wen Wei Ho , un physicien de Harvard et d'autres, ont établi un lien plus fort avec la cicatrisation quantique dans un article publié en janvier. Ils ont déterminé une manière classique de décrire l'état d'un système 51-atomique comme un point dans l'espace abstrait. Avec un changement d'état du système, un point se déplace dans l'espace. Les chercheurs ont découvert que lorsque le système subit ses vibrations étranges, le point se balance d'avant en arrière, tout comme une balle sur une trajectoire périodique spéciale posée le long de la table de billard du stade.


Une configuration expérimentale dans laquelle les chercheurs ont créé un simulateur quantique

En trouvant une analogie classique, les chercheurs ont renforcé l'affirmation selon laquelle le phénomène d'une seule particule de Heller est applicable à un système à plusieurs particules. "Ces gars ont évidemment trouvé quelque chose", a déclaré Geller. "Certainement."

Une chose est claire: cette expérience a suscité l'intérêt de chercheurs du monde entier. Un groupe du California Institute of Technology a identifié des expressions mathématiques pour certains des états particuliers du système à 51 atomes. Un autre, de Princeton, a suggéré que les cicatrices pourraient faire partie d'un phénomène plus général applicable dans divers domaines de la physique de la matière condensée. "Nous pensons que nous semblons comprendre ce qui se passe dans ce système", a déclaré Ho. "Cependant, nous n'avons toujours pas de méthode généralisée pour rechercher d'autres trajectoires-cicatrices."

Des questions plus profondes demeurent. "Les cicatrices sont une description utile du problème", a déclaré Vedika Kemani , un physicien de Harvard qui n'était pas impliqué dans l'expérience. "Mais je ne pense pas que nous comprenions vraiment ce qui mène à leur apparition."

Structure aléatoire

Malgré toutes ces inconnues, la cicatrisation à plusieurs particules présente un grand intérêt pour les physiciens, car elle peut représenter une nouvelle classe de systèmes quantiques.

Au cours des dernières années, les physiciens ont étudié une autre classe similaire, la localisation multi-particules, dans laquelle des défauts aléatoires empêchent la thermalisation du système. Par analogie, imaginez un troupeau de vaches marchant sur un champ plat. Les vaches doivent finalement se disperser à différents endroits - appelons cela la thermalisation des vaches. Mais si des collines aléatoires se rencontrent sur le terrain, les vaches finiront dans les plaines.

De même, le système de cicatrices quantiques à plusieurs particules n'est pas un système chaotique qui cherche à se thermaliser. Mais il n'y a pas non plus de collines. "Ce travail parle de l'existence d'une nouvelle classe de systèmes situés quelque part entre les deux", a déclaré Papich.

Pour expliquer l'effet de cicatrisation, une nouvelle analyse de Kemani suggère que le système à 51 atomes peut être un système intégrable (ou s'en approcher). Il s'agit d'un cas particulier et isolé d'un système avec de nombreuses limitations et fonctionnalités qui sont réglées pour empêcher sa thermalisation. Ainsi, si le système de cicatrice est intégrable, il peut s'avérer être un cas unique dans une classe plus large de phénomènes.

Les physiciens étudient les systèmes intégrables depuis des décennies, et si le système s'avère intégrable, a déclaré Papich, les conséquences de ce fait ne seront pas aussi intéressantes que si ce système quantique était unique. Papich, Ho et Lukin ont écrit un article argumentant contre cette possibilité.

Mais indépendamment du fait que les cicatrices se révèlent être une nouvelle classe de comportement quantique, cette découverte pointe vers la possibilité tentante d'améliorer les ordinateurs quantiques. L'un des problèmes de la création d'un ordinateur quantique est la nécessité de protéger ses fragiles qubits. Toute perturbation ou perturbation de l'environnement peut entraîner la thermalisation des qubits et l'effacement des informations qui y sont stockées, ce qui rendra l'ordinateur inutile. "Si nous pouvons trouver un moyen commun d'introduire des cicatrices dans d'autres systèmes, nous pourrons peut-être protéger les informations quantiques pendant une longue période", a déclaré Ho.

Les cicatrices peuvent alors donner à l'ordinateur un moyen de conserver les données stockées, protégeant le passé du chaos effaçant de la thermalisation.

"Il y a une belle structure, préservée d'une manière ou d'une autre dans un environnement complètement aléatoire", a déclaré Papich. - Quelle physique permet à ce processus de fonctionner? "Il s'agit d'un problème profond et multiforme, couvrant de nombreux domaines de la physique, et cet effet est l'une de ses manifestations."