Un papillon émerge d’une simulation quantique
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En utilisant un simulateur quantique à 9 qubits, les chercheurs ont réussi à voir ce qu’on connait comme le papillon de Hofstadter qui est une figure fractale. C’est encore une approche purement expérimentale, mais ce type de simulation quantique ouvre la voie à la création de nouveaux matériaux.
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Les simulateurs quantiques, qui sont des ordinateurs quantiques spécialisés, aideront les chercheurs à identifier les matériaux avec de nouvelles propriétés. Cet avenir prometteur vient de franchir une nouvelle étape grâce à une collaboration entre Google et des chercheurs d’universités en Californie, à Singapour et en Grèce.
Sommaire
Le papillon de Hofstadter
L’équipe internationale a utilisé des photons dans la puce quantique de Google pour simuler le magnifique et surprenant motif de ce qu’on appelle le papillon de Hofstadter. Le papillon de Hofstadter est une structure fractale caractérisant le comportement des électrons dans des champs magnétiques puissants. Les résultats, publiés dans Science, montrent comment les simulateurs quantiques commencent à tenir leurs promesses.1
Une puce supraconductrice (dimension de 1 centimètre carré) composée de 9 qubits dans un étalage à 1 dimension. Les pulsations de micro-ondes sont appliqué pour contrôler les états des qubits et leurs interactions ainsi que la dynamique du système – Crédit : Erik Lucero, Google
Nous avons toujours eu l’idée que nous pouvions utiliser des photons pour simuler et mieux comprendre la nature selon Dimitris Angelakis du Centre for Quantum Technologies de l’Université nationale de Singapour. L’exploit a été réalisé sur une série de 9 bits quantiques supraconducteurs (qubits) de Google avec des collaborateurs de Google et de l’Université de Californie à Santa Barbara aux États-Unis, à l’Université nationale de Singapour et à l’Université technique de Crète. Ce résultat 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 avec des propriétés de conduction électronique exotiques ouvrant potentiellement une gamme de nouvelles applications.
Les caractéristiques du papillon de Hofstadter
Avec des puces semblables à celle utilisée dans cette expérience, nous nous intéressons aux problèmes qui sont au coeur de la matière condensée, de la mécanique statistique et de la dynamique hors équilibre selon Pedram Roushan de Google, ingénieur en électronique quantique. Le papillon de Hofstadter est apparu en 1976, dans les calculs d’électrons dans un matériau bidimensionnel dans un fort champ magnétique. Le papillon cartographie les divisions et les déplacements des niveaux d’énergie de l’électron avec les changements dans la force 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.
Le papillon de Hofstadter qui est apparu dans cette simulation quantique – Crédit : Visual Science/Google
L’expérience reposait sur une nouvelle technique de spectroscopie qu’ils ont baptisée Hit and Listen. La technique cartographie les niveaux d’énergie des particules légères et des photons micro-ondes qui sont stockés dans les 9 qubits.
À la manière de frapper une cloche
Notre méthode est comme de frapper une cloche. Le son qu’elle produit est une superposition de toutes les harmoniques de base. En la frappant dans différentes positions et en écoutant assez longtemps la mélodie, on peut résoudre les harmoniques cachées. On fait la même chose avec la puce quantique en la frappant avec des photons, puis en suivant son évolution dans le temps selon Angelakis. L’équipe a aperçu le papillon en frappant les qubits avec un photon à la fois.
Le papillon de Hofstadter qui est apparu dans cette simulation quantique – Crédit : Visual Science/Google
L’équipe a également frappé les qubits avec 2 photons simultanément en créant un désordre dans les qubits. Cela a permis de programmer un peu de hasard dans leurs propriétés afin d’étudier le phénomène complexe connu sous le nom de localisation à plusieurs corps (many-body localization). C’est une transition de phase quantique semblable au changement de phase qui se produit lorsque l’eau gèle dans la glace qui détermine si les matériaux sont conducteurs ou isolants. L’équipe a trouvé des précurseurs de la localisation à plusieurs corps en appliquant leur technique de frappe et d’écoute à différents niveaux de désordre et d’interaction.
Le fait de s’attaquer à ce genre de phénomène pourrait fournir une autre piste pour concevoir de nouveaux matériaux avec des propriétés de conduction exotique. Mais les physiciens ont du mal à simuler de tels scénarios complexes. Il a été prédit dans les années 1950 que le désordre dans un matériau pourrait bloquer le mouvement des électrons. C’est ce qu’on appelle la localisation. Mais si les particules peuvent interagir les unes avec les autres, alors le problème devient à plusieurs corps et donc beaucoup plus difficile à modéliser.
Avec seulement 2 photons sur 9 qubits, l’équipe pourrait simuler le comportement prédit sur les ordinateurs conventionnels en trouvant une bonne correspondance avec leurs résultats expérimentaux. Mais si on ajoute plus de qubits, alors le problème devient insoluble pour les machines classiques. C’est pourquoi les grands simulateurs quantiques sont intéressants pour les scientifiques, car ils pourraient s’attaquer à des problèmes hors de portée des superordinateurs actuels.
