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Bits quantiques qui existent dans deux dimensions temporelles

Bits quantiques qui existent dans deux dimensions temporelles

Les dimensions temporelles supplémentaires offrent aux scientifiques une nouvelle façon de penser aux phases de la matière pour des qubits plus stables et des ordinateurs quantiques robustes.

Ordinateurs quantiques sont construits à l’aide de qubits, les analogues quantiques des bits classiques, dont le fonctionnement repose sur deux phénomènes fondamentaux au cœur de l’informatique quantique : l’intrication quantique et le principe de superposition.

La superposition permet à un qubit d’exister à la fois en tant que 0 et 1, contrairement à un bit, qui ne peut prendre qu’une seule de ces valeurs, où l’intrication conduit à des interactions subtiles – un type de liaison – entre les qubits. Physiquement, les qubits peuvent être réalisés de plusieurs façons, par exemple, sous forme de photons avec deux polarisations différentes ou d’ions piégés et contrôlés par un champ électrique.

En conséquence, ces machines sont bien supérieures à leurs homologues conventionnelles pour résoudre des types de problèmes spécifiques, comme l’analyse de données, la simulation d’interactions médicamenteuses ou l’optimisation de la logistique de la chaîne d’approvisionnement. Mais il y a un obstacle à la libération de leur plein potentiel : maintenir des qubits stables, qui sont cruciaux pour faire fonctionner un ordinateur quantique fonctionnel, s’est avéré tout un défi.

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Ces dispositifs sont extrêmement sensibles aux bruits extérieurs et même à certaines interactions entre qubits, ce qui les oblige à sortir de leurs états quantiques fragiles. En conséquence, un ordinateur quantique pleinement fonctionnel a été très difficile à construire.

“Même si vous gardez tous les atomes sous contrôle strict, ils peuvent perdre leur” caractère quantique “en parlant à leur environnement, en s’échauffant ou en interagissant avec des choses d’une manière que vous n’aviez pas prévue”, a déclaré Philipp Dumitrescu du Flatiron Institute’s Center for Computational. Quantum Physics à New York dans une interview.

Dumitrescu fait partie d’une nouvelle étude expérimentale publiée dans La natureoù lui et ses collaborateurs ont pu mieux préserver les états quantiques des qubits sur la base d’une théorie antérieure avancée par un groupe de physiciens, qui comprenait Demitrescu, Andrew Potter de l’Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, Romain Wasser de l’Université de Massachusetts à Amherst, et Ajesh Kumar de l’Université du Texas, Austin.

Qubits stables

On sait que l’interaction des qubits avec une impulsion électromagnétique périodique, semblable à une onde radio, peut rendre l’état quantique des qubits plus stable. En analysant mathématiquement l’interaction des qubits avec différentes impulsions lumineuses sans se limiter à la forme périodique, les théoriciens ont déduit qu’une forme spéciale de l’impulsion pourrait les rendre plus robustes. Selon les calculs de l’équipe, la forme devrait être non répétitive, bien qu’ordonnée, comme les modèles de pavage de Penrose en mathématiques (image caractéristique) et les quasi-cristaux en physique.

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“Avec cette séquence quasi-périodique, il y a une évolution compliquée qui annule toutes les erreurs qui vivent sur le bord [or boundary of a system, which in the present case is one-dimensional with point-like boundaries]», a ajouté Dumitrescu. “A cause de cela, le bord reste cohérent sur le plan de la mécanique quantique beaucoup, beaucoup plus longtemps que prévu.”

Leurs calculs ont montré que lorsque les ions aux extrémités d’une chaîne de qubits intriqués étaient rayonnés avec l’impulsion, ils conservaient leurs propriétés quantiques beaucoup plus longtemps que sans elle. Cet effet était dû au fait que la description mathématique de cette paire était comme s’ils vivaient dans une dimension temporelle supplémentaire.

“[Using an ‘extra’ time dimension] est une façon complètement différente de penser les phases de la matière », a déclaré Dumitrescu. “Je travaille sur ces idées théoriques depuis plus de cinq ans et les voir se concrétiser dans des expériences est passionnant.”

Pour tester cette prédiction, un groupe d’expérimentateurs dirigé par Brian Neyenhuis de Honeywell Quantum Solutions a utilisé l’ordinateur quantique H1 de Honeywell basé sur dix ions ytterbium.

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Ils ont fait briller deux séquences d’impulsions laser sur les qubits : la première séquence était périodique et la seconde, celle proposée par les théoriciens. Dans le cas périodique, les qubits de bord ont conservé l’état quantique intriqué nécessaire pendant environ 1,5 seconde, ce qui est très impressionnant pour un ordinateur quantique. Mais avec le modèle quasi-périodique, les qubits sont restés dans leurs états quantiques tout au long de l’expérience, qui a duré environ 5,5 secondes.

Ce résultat démontre que l’état qubit nouvellement découvert peut servir de base plus solide pour l’informatique quantique. Cependant, les chercheurs doivent encore comprendre comment intégrer leur découverte dans les véritables algorithmes de l’ordinateur quantique.

Un résultat aussi impressionnant a été obtenu pour un système unidimensionnel, mais les théoriciens prédit que les systèmes quantiques de dimension supérieure pourraient être encore plus résistants aux erreurs. Les auteurs de la présente étude espèrent que leur travail sera une étape importante vers la réalisation pratique de ces études théoriques.

Référence : Philipp T. Dumitrescu, et al., Phase topologique dynamique réalisée dans un simulateur quantique à ions piégés, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04853-4

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