Il est établi que la matière peut passer d'une phase à l'autre lorsque certains paramètres, comme la température, sont modifiés. Bien que les transitions de phase soient courantes (comme l'eau qui se transforme en glace dans un congélateur), la dynamique qui régit ces processus est très complexe et constitue un problème majeur dans le domaine de la physique hors équilibre.

Lorsqu'un système subit une transition de phase, la matière dans la nouvelle phase a de nombreuses "configurations" énergétiquement égales possibles à adopter. Dans ces cas, différentes parties du système adoptent différentes configurations sur des régions appelées "domaines". Les interfaces entre ces domaines sont connues sous le nom de défauts topologiques et la réduction du nombre de ces défauts formés peut être extrêmement précieuse dans de nombreuses applications.

Une stratégie courante pour réduire les défauts consiste à faciliter lentement la transition de phase du système. En réalité, selon le mécanisme « Kibble-Zurek » (KZM), il est prédit que le nombre moyen de défauts et le temps de conduite de la transition de phase suivent une loi de puissance universelle. Cependant, tester expérimentalement le KZM dans un système quantique est resté un objectif convoité.

Dans une étude récente publiée dans Examen physique de la recherche , une équipe de scientifiques dirigée par le professeur émérite Hidetoshi Nishimori du Tokyo Institute of Technology, Japon, a sondé la validité du KZM dans deux recuits quantiques disponibles dans le commerce, un type d'ordinateur quantique conçu pour résoudre des problèmes d'optimisation complexes. Ces appareils, connu sous le nom de recuits D-Wave, peut recréer des systèmes quantiques contrôlables et contrôler leur évolution dans le temps, fournir un banc d'essai expérimental approprié pour le KZM.

D'abord, les scientifiques ont vérifié si la "loi de puissance" entre le nombre moyen de défauts et le temps de recuit (temps de conduite de la transition de phase) prédit par le KZM se tenait pour un système magnétique quantique appelé "modèle d'Ising à champ transversal unidimensionnel". Ce modèle représente les orientations (spins) d'une longue chaîne de "dipôles magnétiques, " où les régions homogènes sont séparées par des défauts vus comme des spins voisins pointant dans des directions incorrectes.

Alors que la prédiction originale du KZM concernant le nombre moyen de défauts était valide dans ce système, les scientifiques sont allés plus loin :bien que cette extension du KZM était à l'origine destinée à un système quantique complètement "isolé" et non affecté par des paramètres externes, ils ont trouvé un bon accord entre ses prédictions et leurs résultats expérimentaux même dans les recuits D-Wave, qui sont des systèmes quantiques "ouverts".

Excité par ces résultats, Le professeur Nishimori remarque :« Notre travail fournit le premier test expérimental de la dynamique critique universelle dans un système quantique ouvert à plusieurs corps. Il constitue également le premier test de certaines physiques au-delà du KZM original, fournissant des preuves expérimentales solides que la théorie généralisée tient au-delà du régime de validité théoriquement établi. »

Cette étude présente le potentiel des recuits quantiques pour effectuer des simulations de systèmes quantiques et aide également à mieux comprendre d'autres domaines de la physique. À cet égard, Le professeur Nishimori déclare :« Nos résultats exploitent les dispositifs de recuit quantique comme plates-formes pour tester et explorer les frontières de la physique hors équilibre. Nous espérons que nos travaux motiveront de nouvelles recherches combinant le recuit quantique et d'autres principes universels de la physique hors équilibre. Avec un peu de chance, cette étude favorisera également l'utilisation de recuits quantiques en physique expérimentale. Après tout, qui n'aime pas trouver un nouvel usage pour un outil ?