Les êtres humains créent beaucoup de données à l'ère numérique, que ce soit par le biais d'articles de tous les jours comme les publications sur les réseaux sociaux, e-mails et recherches Google, ou des informations plus complexes sur la santé, les finances et les découvertes scientifiques.

L'International Data Corp. a rapporté que la sphère de données mondiale contenait 33 zettaoctets, ou 33 000 milliards de gigaoctets, en 2018. D'ici 2025, ils s'attendent à ce que ce nombre atteigne 175 zettaoctets. 175 zettaoctets d'informations stockées sur des DVD rempliraient suffisamment de DVD pour faire 222 fois le tour de la Terre.

Alors que l'informatique quantique a été présentée comme un moyen de trier intelligemment les mégadonnées, les environnements quantiques sont difficiles à créer et à maintenir. États de bits quantiques intriqués, ou qubits, durent généralement moins d'une seconde avant de s'effondrer. Les qubits sont également très sensibles à leur environnement et doivent être stockés à des températures cryogéniques.

Dans un article publié en Physique des communications , des chercheurs du département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de l'Arizona ont démontré la possibilité pour les ondes acoustiques dans un environnement classique de faire le travail de traitement de l'information quantique sans les limitations de temps et la fragilité.

« Nous pourrions faire fonctionner notre système pendant des années, " a déclaré Keith Runge, directeur de recherche au Département de science et génie des matériaux et l'un des auteurs de l'article. "Il est si robuste que nous pourrions l'emmener à l'extérieur dans un salon sans qu'il soit perturbé du tout - plus tôt cette année, Nous faisions."

Le professeur adjoint de recherche en science et génie des matériaux Arif Hasan a dirigé la recherche. Les autres co-auteurs incluent le professeur assistant de recherche MSE Lazaro Calderin; étudiant de premier cycle Trevor Lata; Pierre Lucas, professeur de MSE et sciences optiques; et Pierre Deymier, Chef de service MSE, membre du programme interdisciplinaire d'études supérieures en mathématiques appliquées, et membre de l'Institut BIO5. L'équipe travaille avec Tech Launch Arizona, le bureau de l'UA qui commercialise les inventions issues de la recherche, breveter leur appareil et étudie des voies commerciales pour amener l'innovation au public.

Superposition quantique

En informatique classique, les informations sont stockées sous forme de 0 ou de 1, de la même manière qu'une pièce doit atterrir sur pile ou face. En informatique quantique, les qubits peuvent être stockés dans les deux états en même temps, ce qu'on appelle une superposition d'états. Pensez à une pièce en équilibre sur le côté, tourner si vite que les têtes et les queues semblent apparaître à la fois.

Lorsque les qubits sont intriqués, tout ce qui arrive à un qubit affecte l'autre par un principe appelé non-séparabilité. En d'autres termes, abattre une pièce en rotation sur une table et une autre pièce en rotation sur la même table tombe, trop. Un principe appelé non-localité maintient les particules liées même si elles sont éloignées l'une de l'autre :faites tomber une pièce en rotation, et sa contrepartie enchevêtrée de l'autre côté de l'univers s'effondre, trop. Les qubits intriqués créent un état Bell, dans lequel toutes les parties d'un collectif sont affectées les unes par les autres.

"C'est la clé, car si vous manipulez un seul qubit, vous manipulez toute la collection de qubits, " dit Deymier. " Dans un ordinateur ordinaire, vous avez de nombreuses informations stockées sous forme de 0 ou de 1, et vous devez vous adresser à chacun d'eux."

De la lumière au son

Mais, comme une pièce de monnaie qui tourne sur sa tranche, la mécanique quantique est fragile. Le fait de mesurer un état quantique peut provoquer l'effondrement du lien, ou décohère, tout comme prendre en photo une pièce de monnaie qui tourne signifie capturer un seul côté de la pièce. C'est pourquoi les états qubit ne peuvent être maintenus que pendant de courtes périodes.

Mais il existe un moyen de contourner l'utilisation de la mécanique quantique pour le traitement des données :des scientifiques en optique et des chercheurs en génie électrique et informatique ont démontré leur capacité à créer des systèmes de photons, ou unités de lumière, qui présentent une inséparabilité sans non-localité. Bien que la non-localité soit importante pour des applications spécifiques comme la cryptographie, c'est la non-séparabilité qui compte pour des applications comme l'informatique quantique. Et les particules qui ne sont pas séparables dans les états de Bell classiques, plutôt que empêtré dans un état de Bell quantique, sont beaucoup plus stables.

L'équipe de science et ingénierie des matériaux est allée plus loin en démontrant pour la première fois que cette inséparabilité classique peut être appliquée aux ondes acoustiques, pas seulement des ondes lumineuses. Ils utilisent des phi-bits, unités constituées de quasi-particules appelées phonons qui transmettent le son et les ondes de chaleur.

"Les lasers lumineux et les photons uniques font partie de la photonique de terrain, mais les ondes sonores tombent sous l'égide de la phononique, ou l'étude des phonons, " a déclaré Deymier. " En plus d'être stable, les ondes acoustiques enchevêtrées de manière classique sont faciles à interagir et à manipuler."

Sciences complexes, Outils simples

Les matériaux pour démontrer un concept aussi complexe étaient simples, comprenant trois tiges en aluminium, assez d'époxy pour les connecter et des élastiques pour l'élasticité.

Les chercheurs ont envoyé une vague de vibrations sonores le long des tiges, puis surveillé deux degrés de liberté des vagues :dans quelle direction les vagues descendaient les tiges (vers l'avant ou vers l'arrière) et comment les tiges se déplaçaient les unes par rapport aux autres (si elles ondulaient dans la même direction et à des amplitudes similaires). Pour exciter le système dans un état non séparable, ils ont identifié une fréquence à laquelle ces deux degrés de liberté étaient liés et ont envoyé les ondes à cette fréquence. Le résultat? Un état Bell.

"Donc, nous avons un système acoustique qui nous donne la possibilité de créer ces états de Bell, " a déclaré Deymier. "C'est l'analogue complet de la mécanique quantique."

Démontrer que cela est possible a ouvert la porte à l'application de la non-séparabilité classique au domaine émergent de la phononique. Prochain, les chercheurs travailleront à augmenter le nombre de degrés de liberté qui peuvent être classiquement intriqués - plus, le meilleur. Ils souhaitent également développer des algorithmes capables d'utiliser ces états non séparables pour manipuler des informations.

Une fois le système affiné, ils prévoient de le redimensionner de la table à la micro-échelle, prêt à être déployé sur des puces informatiques dans les centres de données du monde entier.