Ajoutez une pincée de crème à votre café du matin et des nuages de liquide blanc tourbillonneront autour de votre tasse. Mais attendez quelques secondes et ces tourbillons disparaîtront, vous laissant avec une tasse ordinaire de liquide brun.
Quelque chose de similaire se produit dans les puces informatiques quantiques (des appareils qui exploitent les propriétés étranges de l'univers à ses plus petites échelles) où les informations peuvent rapidement s'embrouiller, limitant les capacités de mémoire de ces outils.
Cela ne doit pas nécessairement être le cas, a déclaré Rahul Nandkishore, professeur agrégé de physique à l'Université du Colorado à Boulder.
Dans un nouveau coup pour la physique théorique, lui et ses collègues ont utilisé les mathématiques pour montrer que les scientifiques pouvaient créer, essentiellement, un scénario dans lequel le lait et le café ne se mélangent jamais, quelle que soit la force avec laquelle vous les remuez.
Les découvertes du groupe pourraient conduire à de nouvelles avancées dans les puces informatiques quantiques, offrant potentiellement aux ingénieurs de nouvelles façons de stocker des informations dans des objets incroyablement petits.
"Pensez aux premiers motifs tourbillonnants qui apparaissent lorsque vous ajoutez de la crème à votre café du matin", a déclaré Nandkishore, auteur principal de la nouvelle étude. "Imaginez si ces motifs continuaient à tourbillonner et à danser, peu importe combien de temps vous les regardiez."
Les chercheurs doivent encore mener des expériences en laboratoire pour s’assurer que ces tourbillons sans fin sont réellement possibles. Mais les résultats du groupe constituent une avancée majeure pour les physiciens cherchant à créer des matériaux qui restent déséquilibrés ou en équilibre pendant de longues périodes – une quête connue sous le nom de « rupture d'ergodicité ».
Les conclusions de l'équipe ont été publiées cette semaine dans le dernier numéro de Physical Review Letters. .
L'étude, qui inclut les co-auteurs David Stephen et Oliver Hart, chercheurs postdoctoraux en physique à CU Boulder, s'articule autour d'un problème commun en informatique quantique.
Les ordinateurs normaux fonctionnent avec des « bits », qui prennent la forme de zéros ou de uns. Nandkishore a expliqué que les ordinateurs quantiques, en revanche, utilisent des « qubits », qui peuvent exister sous la forme zéro, un ou, grâce à l'étrangeté de la physique quantique, zéro et un en même temps. Les ingénieurs ont fabriqué des qubits à partir d'un large éventail de choses, y compris des atomes individuels piégés par des lasers ou de minuscules dispositifs appelés supraconducteurs.
Mais tout comme cette tasse de café, les qubits peuvent facilement se mélanger. Si vous retournez, par exemple, tous vos qubits en un seul, ils finiront par basculer d'avant en arrière jusqu'à ce que la puce entière devienne un désordre désorganisé.
Dans la nouvelle recherche, Nandkishore et ses collègues ont peut-être trouvé un moyen de contourner cette tendance au mélange. Le groupe a calculé que si les scientifiques organisent les qubits selon des modèles particuliers, ces assemblages conserveront leurs informations, même si vous les perturbez à l'aide d'un champ magnétique ou d'une perturbation similaire. Selon le physicien, cela pourrait permettre aux ingénieurs de construire des appareils dotés d'une sorte de mémoire quantique.
"Cela pourrait être un moyen de stocker des informations", a-t-il déclaré. "Vous écririez des informations dans ces modèles, et les informations ne pourraient pas être dégradées."
Dans l'étude, les chercheurs ont utilisé des outils de modélisation mathématique pour visualiser un ensemble de centaines, voire de milliers de qubits disposés selon un motif en forme de damier.
L’astuce, ont-ils découvert, consistait à placer les qubits dans un endroit restreint. Si les qubits se rapprochent suffisamment, explique Nadkishore, ils peuvent influencer le comportement de leurs voisins, presque comme une foule de personnes essayant de se faufiler dans une cabine téléphonique. Certaines de ces personnes peuvent être debout ou sur la tête, mais elles ne peuvent pas se retourner dans l'autre sens sans pousser tout le monde.
Les chercheurs ont calculé que s'ils disposaient ces motifs de la bonne manière, ils pourraient circuler autour d'une puce d'ordinateur quantique et ne jamais se dégrader, un peu comme ces nuages de crème tourbillonnant pour toujours dans votre café.
"Ce qui est merveilleux avec cette étude, c'est que nous avons découvert que nous pouvions comprendre ce phénomène fondamental à travers ce qui est une géométrie presque simple", a déclaré Nandkishore.
Les découvertes de l'équipe pourraient influencer bien plus que les seuls ordinateurs quantiques.
Nandkishore a expliqué que presque tout dans l'univers, des tasses de café aux vastes océans, tend à évoluer vers ce que les scientifiques appellent « l'équilibre thermique ». Si vous déposez un glaçon dans votre tasse, par exemple, la chaleur de votre café fera fondre la glace, formant finalement un liquide à température uniforme.
Ses nouvelles découvertes s'ajoutent cependant à un nombre croissant de recherches suggérant que certaines petites organisations de matière peuvent résister à cet équilibre, brisant ainsi certaines des lois les plus immuables de l'univers.
"Nous n'aurons pas à refaire nos calculs pour la glace et l'eau", a déclaré Nandkishore. "Le domaine des mathématiques que nous appelons physique statistique est incroyablement efficace pour décrire les choses que nous rencontrons dans la vie quotidienne. Mais il y a des contextes où cela ne s'applique peut-être pas."
Plus d'informations : David T. Stephen et al, Ergodicity Breaking Provably Robust to Arbitrary Perturbations, Physical Review Letters (2024). DOI :10.1103/PhysRevLett.132.040401. SurarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.03966
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , arXiv
Fourni par l'Université du Colorado à Boulder
