Les «cristaux temporels» fonctionnent autour des lois de la physique pour offrir une nouvelle ère de l’informatique quantique
La connexion de deux « cristaux de temps » dans un superfluide d’hélium-3 à peine un dix-millième de degré au-dessus du zéro absolu pourrait être un grand pas vers un nouveau type d’ordinateur quantique.
Les cristaux de temps sont des structures bizarres d’atomes, dont l’existence n’a été prédite qu’en 2012, avec des preuves expérimentales quelques années plus tard. Dans un cristal normal, tel que le diamant ou le sel, les atomes sont disposés selon un motif spatial se répétant régulièrement – un réseau ou un cadre similaire. Et comme la plupart des matériaux, lorsque les atomes sont dans leur état fondamental – leur niveau d’énergie le plus bas possible – ils cessent de trembler.
Les cristaux de temps, quant à eux, sont constitués d’atomes qui se répètent dans le temps plutôt que dans l’espace, oscillant d’avant en arrière ou tournant, même dans leur état fondamental. Ils peuvent maintenir ce mouvement perpétuellement, sans nécessiter d’apport d’énergie ni perdre d’énergie dans le processus.
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Ce faisant, ces cristaux de temps peuvent défier un concept connu sous le nom de entropie. La deuxième loi de la thermodynamique décrit l’entropie comme la façon dont tout système devient plus désordonné au fil du temps. A titre d’exemple, considérons les orbites des planètes autour du Soleil. Pour simplifier, nous les imaginons se déplaçant dans un ordre d’horlogerie, revenant toujours au même endroit au même moment dans leurs orbites respectives. En réalité, cependant, les choses sont désordonnées : le la gravité des autres planètes, ou des étoiles qui passent, peuvent tirer et tirer sur les planètes, modifiant subtilement leurs orbites.
D’où le orbites des planètes sont intrinsèquement chaotiques. Un petit changement sur l’un d’entre eux peut potentiellement avoir de grandes répercussions sur chacun d’eux. Le système devient désordonné avec le temps – l’entropie du système augmente.
Les cristaux de temps peuvent annuler les effets de l’entropie en raison d’un principe de mécanique quantique connu sous le nom de « localisation d’objets multiples ». Si une force est ressentie par un atome dans le cristal temporel, elle n’affecte que cet atome. Par conséquent, le changement est considéré comme localisé plutôt que global (dans tout le système). En conséquence, le système ne devient pas chaotique et permet aux oscillations répétées de continuer, théoriquement, à perpétuité.
« Tout le monde sait que les machines à mouvement perpétuel sont impossibles », a déclaré Samuli Autti, chercheur et maître de conférences en physique à l’université de Lancaster au Royaume-Uni. déclaration. « Cependant, en physique quantique, le mouvement perpétuel est acceptable tant que nous gardons les yeux fermés. »
Autti, qui a dirigé la recherche, fait référence au principe d’incertitude de Heisenberg, qui fait allusion à la façon dont, lorsqu’un système quantique est observé et mesuré, sa fonction d’onde quantique s’effondre. En raison de leur nature mécanique quantique, les cristaux de temps ne peuvent fonctionner à 100 % d’efficacité que lorsqu’ils sont complètement isolés de leur environnement. Cette exigence limite la durée pendant laquelle ils peuvent être observés jusqu’à ce qu’ils se décomposent complètement à la suite d’un effondrement de la fonction d’onde.
Cependant, l’équipe d’Autti a réussi à connecter deux cristaux de temps en refroidissant une quantité de hélium-3, un isotope de l’hélium. L’hélium-3 est spécial car, lorsqu’il est refroidi à une fraction au-dessus du zéro absolu (moins 459,67 degrés Fahrenheit ou moins 273 degrés Celsius), l’isotope devient un superfluide, ce que peu de matériaux peuvent faire. Dans un superfluide, il n’y a aucune viscosité, donc aucune énergie cinétique n’est perdue par frottement, permettant ainsi aux mouvements – tels que ceux des atomes dans un cristal temporel – de continuer indéfiniment.
L’équipe d’Autti, travaillant à l’Université Aalto en Finlande, a ensuite manipulé les atomes d’hélium-3 pour créer deux cristaux temporels qui interagissaient les uns avec les autres. De plus, ils ont observé cet appariement temps-cristal pendant une durée record, environ 1 000 secondes (près de 17 minutes), ce qui équivaut à des milliards de périodes de mouvement d’oscillation ou de rotation des atomes, avant que la fonction d’onde des cristaux temporels ne se décompose.
« Il s’avère que mettre deux d’entre eux fonctionne à merveille », a déclaré Autti.
Les résultats créent une ligne de recherche prometteuse pour le développement d’un système entièrement fonctionnel. ordinateur quantique. Alors que les bits d’un ordinateur normal sont binaires – 1 ou 0, activés ou désactivés – le taux de traitement de ordinateurs quantiques est beaucoup plus rapide car ils utilisent des « qubits », qui peuvent être 1 et 0, activés et désactivés en même temps. Une façon de construire un ordinateur quantique serait de relier une myriade de cristaux de temps, chacun étant conçu pour agir comme un qubit. Par conséquent, cette première expérience visant à lier deux cristaux de temps a créé la pierre angulaire d’un ordinateur quantique.
Des expériences antérieures ont déjà montré que certains cristaux de temps peuvent fonctionner à température ambiante, plutôt que d’avoir besoin d’être refroidis à un zéro presque absolu, ce qui rend leur construction encore plus facile. La prochaine tâche, a déclaré l’équipe d’Autti, est de démontrer que les opérations de porte logique, qui sont des fonctions qui permettent à un ordinateur de traiter des informations, peuvent fonctionner entre deux ou plusieurs cristaux de temps.
La recherche a été publiée le 2 juin dans la revue Communication Nature (s’ouvre dans un nouvel onglet).
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