En utilisant un ordinateur à recuit quantique D-Wave comme banc d'essai, des scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos ont montré qu'il est possible d'isoler des monopôles magnétiques dits émergents, une classe de quasiparticules, créant une nouvelle approche pour développer des « matériaux par conception ».

"Nous voulions étudier les monopôles magnétiques émergents en exploitant la dynamique collective des qubits, " a déclaré Cristiano Nisoli, l'un des principaux auteurs de l'étude à Los Alamos. "Monopôles magnétiques, comme particules élémentaires avec un seul pôle magnétique, ont été supposés par beaucoup, et célèbre par Dirac, mais se sont avérés insaisissables jusqu'à présent."

Ils ont réalisé une glace de spin artificielle en utilisant les qubits supraconducteurs de la machine quantique comme bloc de construction magnétique. La génération de matériaux magnétiques aux propriétés exotiques de cette manière est révolutionnaire à bien des égards. Leur procédé utilisait la loi de Gauss pour piéger les monopôles, permettant aux scientifiques d'observer leur dynamique quantique activée et leur interaction mutuelle. Ce travail démontre sans ambiguïté que les monopôles magnétiques peuvent non seulement émerger d'une structure de spin sous-jacente, mais peut être contrôlé, isolé et étudié avec précision.

« Il a été démontré au cours de la dernière décennie environ que des monopôles peuvent émerger sous forme de quasiparticules pour décrire les glaces de spin d'excitation de diverses géométries. Auparavant, l'installation de champ pulsé du National High Magnetic Field Laboratory, ici à Los Alamos, a pu «écouter» le bruit des monopoles dans les glaces de spin artificielles. Et maintenant, utilisant un système de recuit quantique D-Wave, nous avons suffisamment de contrôle pour piéger une ou plusieurs de ces particules et les étudier individuellement. Nous les avons vus se promener, se faire coincer, et étant créé et annihilé par paires de charges magnétiques opposées. Et nous avons ainsi pu confirmer nos prédictions théoriques quantitatives, qu'ils interagissent et se filtrent en fait, " dit Nisoli.

"Les processeurs de D-Wave sont conçus pour exceller dans l'optimisation, mais peuvent également être utilisés comme simulateurs quantiques. En programmant les interactions souhaitées de notre matériau magnétique dans les qubits de D-Wave, nous pouvons réaliser des expériences qui sont autrement extrêmement difficiles, " dit Andrew King, directeur de Performance Research chez D-Wave et auteur de l'article. « Cette collaboration, le travail de preuve de principe démontre de nouvelles capacités expérimentales, améliorer la puissance et la polyvalence des études de glace artificielle. La capacité à manipuler par programmation des quasiparticules émergentes peut devenir un aspect clé de l'ingénierie des matériaux et même de l'informatique quantique topologique ; nous espérons qu'il sera fondamental pour les recherches futures. »

Nisoli ajouté, "Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de cette approche. Les précédents systèmes de glace de spin artificielle étaient réalisés avec des nano-aimants, et ils obéissaient à la physique classique. Cette réalisation est au contraire entièrement quantique. Pour éviter les sauts, nous nous sommes concentrés jusqu'à présent sur une étude quasi-classique, mais à l'avenir, nous pouvons vraiment augmenter ces fluctuations quantiques, et enquêter sur des problèmes de décohérence très opportuns, Mémoire, informations quantiques, et l'ordre topologique, avec des implications technologiques importantes.

"Ces résultats ont également des conséquences technologiques particulièrement pertinentes pour le DOE et Los Alamos, spécifiquement dans l'idée de matériaux par conception, produire de futurs nano-aimants qui pourraient présenter des fonctionnalités avancées et souhaitables pour la détection et le calcul. Monopoles, en tant que supports d'informations binaires, peut être pertinent pour la spintronique. Ils contribuent également de manière significative aux investissements de Los Alamos D-Wave, " a noté Alejandro Lopez-Bezanilla de Los Alamos, qui travaille sur le processeur D-Wave et a réuni l'équipe.

Nisoli, de plus, suggère qu'à côté des applications fructueuses, ces résultats pourraient peut-être aussi alimenter la réflexion de la physique fondamentale. "Nos théories fondamentales des particules sont des modèles paramétrés. On se demande :qu'est-ce qu'une particule ? Nous montrons ici expérimentalement que non seulement les particules mais aussi leurs interactions à longue distance peuvent être plus -niveau description d'une structure sous-jacente très simple, l'un n'est couplé qu'aux plus proches voisins. Est-ce que même des particules et des interactions « réelles » que nous considérons comme fondamentales, comme les leptons et les quarks, plutôt être interprété comme une émergence, description de niveau supérieur d'un substrat binaire de niveau inférieur plus complexe, un peu comme nos monopoles émergeant d'un tas de qubits ?"