Simulateurs quantiques, qui sont des ordinateurs quantiques à usage spécial, aidera les chercheurs à identifier des matériaux dotés de propriétés nouvelles et utiles. Cet avenir alléchant vient de faire un pas en avant grâce à une collaboration entre Google et des chercheurs d'universités californiennes, Singapour et la Grèce.

L'équipe internationale a utilisé des photons dans la puce quantique de Google pour simuler le motif surprenant et magnifique du «papillon Hofstadter», une structure fractale caractérisant le comportement des électrons dans des champs magnétiques intenses. Les résultats, publié le 1er décembre dans Science , montrer comment les simulateurs quantiques commencent à tenir leurs promesses en tant qu'outils puissants.

« Nous avons toujours eu cette idée que nous pouvons utiliser des photons pour simuler et mieux comprendre la nature. Notre collaboration met cela en pratique, " déclare Dimitris Angelakis du Center for Quantum Technologies, Université nationale de Singapour.

L'exploit a été réalisé sur la chaîne de neuf bits quantiques supraconducteurs de Google (qubits) par des collaborateurs de Google et de l'Université de Californie à Santa Barbara aux États-Unis, l'Université nationale de Singapour et l'Université technique de Crète, Grèce. Il montre comment un simulateur quantique peut reproduire toutes sortes de comportements quantiques complexes exotiques. Cela permettra aux chercheurs de simuler - et donc de concevoir - des matériaux aux propriétés de conduction électronique exotiques, ouvrant potentiellement une gamme de nouvelles applications.

"Avec des puces similaires à celle utilisée dans cette expérience, nous nous intéressons à l'étude des problèmes au cœur de la matière condensée, mécanique statistique, et dynamique de non-équilibre, " dit Pedram Roushan de Google, un ingénieur en électronique quantique.

Le papillon de Hofstadter est apparu pour la première fois en 1976, dans les calculs d'électrons dans un matériau bidimensionnel dans un champ magnétique intense. Le papillon cartographie les divisions et les déplacements des niveaux d'énergie de l'électron avec les changements de l'intensité du champ. Dans cette simulation quantique, les photons ont pris le rôle des électrons tandis que les portes sur les qubits ont fourni un analogue du champ magnétique. Le motif de papillon a émergé des mesures de l'équipe.

L'expérience s'est appuyée sur l'invention par l'équipe d'une nouvelle technique de spectroscopie qu'ils ont baptisée « hit and listen ». La technique cartographie les niveaux d'énergie des particules lumineuses, photons micro-ondes, stocké dans les neuf qubits.

"Notre méthode est comme frapper une cloche. Le son qu'elle fait est une superposition de toutes les harmoniques de base. En la frappant plusieurs fois dans différentes positions et en écoutant la mélodie assez longtemps, on peut résoudre les harmoniques cachées. On fait de même avec la puce quantique, le frapper avec des photons puis suivre son évolution dans le temps, " explique Angelakis. L'équipe a vu le papillon en frappant les qubits avec un photon à la fois.

L'équipe a également atteint les qubits avec deux photons simultanément, et a rendu les qubits désordonnés - en programmant un peu d'aléatoire dans leurs propriétés - afin d'étudier le phénomène complexe connu sous le nom de « localisation à plusieurs corps ». Il s'agit d'une transition de phase quantique, semblable au changement de phase qui se produit lorsque l'eau gèle en glace, qui détermine si les matériaux sont des conducteurs ou des isolants L'équipe a trouvé des précurseurs de la localisation à plusieurs corps en appliquant leur technique « hit and listen » à différents régimes de désordre et d'interaction.

S'attaquer à ce genre de phénomène peut fournir une autre voie pour concevoir de nouveaux matériaux utiles avec des propriétés de conduction exotiques. Cependant, les physiciens en général peinent à simuler des scénarios aussi complexes. Il a été prédit dans les années 1950 que le désordre dans un matériau pouvait bloquer le mouvement des électrons à travers celui-ci. C'est ce qu'on appelle la localisation. Mais si les particules peuvent interagir les unes avec les autres, le problème devient « à plusieurs corps » - et beaucoup plus difficile à modéliser.

Pour seulement deux photons sur neuf qubits, l'équipe pourrait simuler sur des ordinateurs conventionnels à quel comportement s'attendre, trouver un bon accord avec leurs résultats expérimentaux. Mais ajoutez juste quelques qubits de plus et le problème devient insoluble pour les machines classiques.

Cela rend la perspective de plus grands simulateurs quantiques attrayante pour les scientifiques - ils pourraient s'attaquer à des problèmes hors de portée des supercalculateurs d'aujourd'hui.

"La compréhension des phases quantiques reste l'un des mystères non résolus de la physique", déclare Roushan.