19/02/2022. Bientôt des ordinateurs quantiques utilisant des « cristaux temporaires »

Un cristal temporaire est un état de la matière récemment découvert analogue aux états solide, liquide et gazeux. Mais il est très difficile à observer autrement qu’en laboratoire, car il ne se forme qu’a des températures proches du zéro absolu et il doit être maintenu dans un état isolé car il est détruit par toute interaction avec la matière extérieur. Autrement dit, il serait impossible de l’offrir en cadeau comme on le fait avec un diamant.

Pour désigner de tels cristaux, on emploi le terme de temporaire car les particules le composant se déplacent et retournent périodiquement à leur état initial à la façon d’un oscillateur. Il en serait ainsi d’un bijou en diamant offert à une personne aimée qui se détruirait et se reconstruirait régulièrement. Il s’agirait d’un mouvement perpétuel ne nécessitant aucun apport d’énergie. On emploi aussi le terme de Discret Time crystal (DTC). Le terme de discret signifie que le système possède un ordre spatial et temporel de longue portée : les oscillations sont en phase (synchronisés) sur des distances et temps arbitrairement grands

Au cours de la dernière décennie, les cristaux temporels ont fait l’objet de nombreuses recherches, en tant que nouvelle phase de la matière. Ils ont même déjà été créés en laboratoire dans des systèmes isolés. Mais ces expériences nécessitent des températures extrêmement basses et d’autres conditions rigoureuses pour minimiser les perturbations externes indésirables.

Pour la première fois, une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à Riverside, rapporte avoir créé des cristaux temporels dans un système non isolé de son environnement, autrement dit à température ambiante. Il s’agit d’une avancée majeure. Elle suggère que cet état de la matière pourrait être exploité pour des applications pratiques.

Un cristal temporel est une structure périodique dans le temps et l’espace. À l’instar d’un cristal standard, une telle structure se compose de particules ordonnées, qui forment un réseau bien spécifique (chacune occupant une position définie) ; mais la répétition du motif cristallin se fait ici non seulement dans les trois dimensions de l’espace, mais aussi de manière périodique dans le temps, à la manière d’un oscillateur. Autrement dit, les particules d’un cristal temporel se déplacent et retournent périodiquement à leur état initial. Elles affichent ainsi un mouvement perpétuel, mais sans aucun apport d’énergie.

L’existence de cet état ou phase de la matière a été prédite pour la première fois par le physicien américain Frank Wilczek en 2012. Il a suggéré qu’il pourrait être possible pour les atomes de changer au fil du temps, même lorsqu’ils se trouvent à leur état de plus basse énergie (l’état fondamental).

Pour étudier les cristaux temporels, les scientifiques utilisent habituellement des condensats de Bose-Einstein, (https://fr.wikipedia.org/wiki/Condensat_de_Bose-Einstein) qui doivent être maintenus à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu — ce qui nécessite un équipement de laboratoire spécifique. Mais des chercheurs américains de l’Université de Californie (Pr Hossein Taheri, professeur adjoint de recherche en génie électrique et informatique et ses collègues ) ont réussi à créer des cristaux temporels à température ambiante. Ils persistent indéfiniment à température ambiante, malgré le bruit et la perte d’énergie se produisant au fil du temps.

Les chercheurs ont mis au point pour cela ce qu’ils nomment une plate-forme photoniques (Kerr-nonlinear optical microcavity)« Lorsque votre système expérimental échange de l’énergie avec son environnement, la dissipation et le bruit travaillent main dans la main pour détruire l’ordre temporel. Dans notre plateforme photonique, le système établit un équilibre entre le gain et la perte pour créer et préserver des cristaux temporels »https://news.ucr.edu/articles/2022/02/14/time-crystals-leave-lab.

Ces résultats ouvrent la voie au développement de cristaux temporels à l’échelle de la puce, qui pourront être utilisés dans des environnements réels, loin des équipements sophistiqués de laboratoire.

Dans un cristal standard, les atomes forment un empilement tridimensionnel (appelé réseau cristallin) bien défini et fixe ; le même motif se répète dans l’espace. Dans un cristal temporel, les atomes oscillent en quelque sorte entre deux positions, selon une fréquence particulière. Le motif qu’ils forment se répète ainsi à la fois dans l’espace et dans le temps. Taheri et son équipe sont parvenus à mettre au point de tels cristaux temporels, sous forme de systèmes quantiques entièrement optiques, sans utiliser de système de refroidissement.

Pour ce faire, ils ont utilisé un microrésonateur, un disque en verre de fluorure de magnésium (MgF2) de seulement un millimètre de diamètre. Lorsqu’ils ont bombardé ce dispositif optique avec deux faisceaux laser indépendants, ils ont pu observer des pics sous-harmoniques (des solitons optiques, soit des ondes solitaires robustes dont la forme est préservée lors de leur propagation), qui indiquaient une rupture de la symétrie temporelle et donc, la création de cristaux temporels. « La modification spontanée de la symétrie de translation temporelle discrète dans des systèmes physiques forcés périodiquement peut créer un cristal temporel discret constituant un état de la matière possédant des propriétés telles que l’ordre et la cohérence temporelle rigide à longue portée », expliquent les chercheurs dans un article de  Nature Communications reproduit ci-dessous

Ils ajoutent que ces propriétés sont particulièrement recherchées pour les calculateurs quantiques. Afin être pratiquement utilisables, ceux-ci doivent fonctionner dans un environnement qui ne sera pas particulièrement protégé. On notera que Google est le premier à proposer un calculateur quantique avec des cristaux temporaires.

Référence
14 feb 2022

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28462-x

Abstract

Time crystals are periodic states exhibiting spontaneous symmetry breaking in either time-independent or periodically-driven quantum many-body systems. Spontaneous modification of discrete time-translation symmetry in periodically-forced physical systems can create a discrete time crystal (DTC) constituting a state of matter possessing properties like temporal rigid long-range order and coherence, which are inherently desirable for quantum computing and information processing. Despite their appeal, experimental demonstrations of DTCs are scarce and significant aspects of their behavior remain unexplored. Here, we report the experimental observation and theoretical investigation of DTCs in a Kerr-nonlinear optical microcavity. Empowered by the self-injection locking of two independent lasers with arbitrarily large frequency separation simultaneously to two same-family cavity modes and a dissipative Kerr soliton, this versatile platform enables realizing long-awaited phenomena such as defect-carrying DTCs and phase transitions. Combined with monolithic microfabrication, this room-temperature system paves the way for chip-scale time crystals supporting real-world applications outside sophisticated laboratories.

Votre commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l’aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion /  Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l’aide de votre compte Twitter. Déconnexion /  Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l’aide de votre compte Facebook. Déconnexion /  Changer )

Connexion à %s

%d blogueurs aiment cette page :