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Création de cristaux temporels à l’aide de nouvelles architectures d’informatique quantique

Vue d’artiste d’un cristal à temps discret composé de neuf qubits représentés par le spin nucléaire de neuf atomes de carbone-13 dans le diamant. La chaîne des cycles connectés est verrouillée dans une phase où ils inversent périodiquement leurs états. Crédit : Joe Randall et Tim Tamino, avec l’aimable autorisation de QuTech

Le physicien de l’UC Berkeley, Norman Yao, l’a décrit pour la première fois il y a cinq ans Comment faire un cristal temporel Une nouvelle forme de matière dont les motifs se répètent dans le temps plutôt que dans l’espace. Contrairement aux cristaux d’émeraude ou de saphir, ces cristaux de temps n’existaient que pendant une fraction de seconde.

Mais il est temps pour les cristaux de temps. Depuis la suggestion originale de Yao, de nouvelles idées ont conduit à la découverte que les cristaux temporels se présentent sous de nombreuses formes différentes, chacune réglée par son propre mécanisme.

à l’aide d’un fichier Statistiques quantitatives Plusieurs laboratoires ont failli créer une version locale à plusieurs corps d’un cristal temporel, qui utilise une perturbation pour maintenir les qubits quantiques périodiquement entraînés dans un état continu de vibration sous-harmonique – les qubits oscillent, mais seulement toutes les deux périodes de l’entraînement. .

Dans un article publié dans le magazine Science La semaine dernière, Yao et ses collègues de QuTech – une collaboration entre l’Université de technologie de Delft et TNO, un groupe de recherche indépendant aux Pays-Bas – ont rapporté la création d’un cristal temporel discret à plusieurs corps qui a duré environ huit secondes, correspondant à 800 oscillations. périodes. Ils ont utilisé un ordinateur quantique à base de diamant, dans lequel les qubits – les bits quantiques, l’analogue des qubits binaires dans les ordinateurs numériques – sont les spins nucléaires des atomes de carbone-13 intégrés dans le diamant.

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« Alors qu’un cristal temporel complètement isolé pourrait, en principe, vivre éternellement, toute véritable application expérimentale serait dégradée par les interactions avec l’environnement », a déclaré Joe Randall de QuTech. « La prolongation de la durée de vie est la prochaine frontière. »

Résultats, Publié pour la première fois cet été sur arXiv, dans une expérience quasi-synchrone menée par des chercheurs de Google, Stanford et Princeton, utilisant l’ordinateur quantique supraconducteur de Google, Sycamore. Cette démonstration J’ai utilisé 20 qubits constitués de bandes d’aluminium supraconductrices et duré environ huit dixièmes de seconde. Les cristaux temporels de Google et QuTech sont appelés phases de matière Floquet et constituent un type de matériau hors équilibre.

« C’est très excitant de voir plusieurs percées expérimentales se produire simultanément », a déclaré Tim Taminiau, chercheur principal chez QuTech. « Toutes ces différentes plateformes se complètent. L’expérience de Google utilise deux fois plus de qubits ; notre âge de cristal vit environ 10 fois plus longtemps. »

L’équipe Qutech a manipulé les neuf qubits de carbone-13 de la bonne manière pour répondre aux critères de formation d’un cristal temporel multicorps local.

« Un cristal temporel est probablement l’exemple le plus simple d’un état de déséquilibre de la matière », a déclaré Yao, professeur agrégé de physique à l’Université de Californie à Berkeley. « Le système QuTech est bien adapté à l’exploration d’autres phénomènes de non-équilibre, y compris, par exemple, les phases topologiques de Floquet.

Ces découvertes font suite à des observations de cristaux à un autre moment, qui comprenaient également le groupe de Yao, qui a été publié dans Science Il y a plusieurs mois. Là, les chercheurs notent la soi-disant avant cristal du temps, où les oscillations sous-harmoniques sont stabilisées par un pilotage à haute fréquence. Les expériences ont été menées au laboratoire Monroe de l’Université du Maryland en utilisant une chaîne unidimensionnelle d’ions atomiques piégés, le même système qui a observé les premiers signaux de la dynamique cristalline du temps il y a plus de cinq ans. Fait intéressant, contrairement au cristal temporel multicorps local, qui représente de manière innée la phase de fluorite quantique, les cristaux temporels pré-prairie peuvent exister sous forme quantique ou Phases classiques de la matière.

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De nombreuses questions restent ouvertes. Existe-t-il des applications pratiques pour les cristaux de temps ? La dissipation peut-elle aider à prolonger la durée de vie d’un cristal temporel ? Plus généralement, comment et quand s’équilibrent les systèmes quantiques pilotés ? Les résultats rapportés montrent que les défauts de spin dans les solides sont une plate-forme flexible pour l’étude expérimentale de ces questions ouvertes importantes en physique statistique.

« La capacité d’isoler les spinules de leur environnement tout en contrôlant leurs interactions offre une merveilleuse opportunité d’étudier comment les informations sont préservées ou perdues », a déclaré Francisco Machado, étudiant diplômé de l’Université de Californie à Berkeley. « Ce serait formidable de voir ce qui se passera ensuite. »

Les références:

« Un cristal temporel discret à plusieurs corps avec un simulateur quantique programmable basé sur le spin » par J. Randall, CE Bradley, FV van der Gronden, A. Galicia, MH Abobeih, M. Markham, DJ Twitchen, F. Machado, NY Yao et Taminau, le 4 novembre 2021, Science.
DOI : 10.1126 / science.abk0603

« Observation d’un système d’état propre à cristaux temporels sur un processeur quantique » Par Xiao Mei, Matteo Ippoliti, Chris Quintana, Amy Green, Zijun Chen, Jonathan Gross, Frank Arroot, Kunal Arya, Juan Atalaya, Ryan Babos, Joseph Barden, Joao Basso, Andreas Bengtsson, Alexander Bilmes, Alexander Borassa, Leon Brill, Michael Bruton, Bob Buckley, David A. Boyle, Brian Burkett, Nicholas Bushnell, Benjamin Kiaro, Roberto Collins, William Courtney, Drepto DeBruy, Sean Demora, Alan R Dirk, Andrew Dunsworth , Daniel Ebbins , Catherine Erickson, Edward Farhey, Austin J. Fowler, Brooks Fox, Craig Gidney, Marisa Justina, Matthew P. Harrigan, Sean D. Harrington, Jeremy Hilton, Alan Ho, Sabrina Hong, Trent Huang, Ashley Huff, William J. Huggins, LB Evland, Sergey V. Isakov, Justin Evland, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Cody Jones, Dvir Kafri, Tanuj Khattar, Seon Kim, Alexei Kitaev, Paul F. Klimov, Alexander N. Korotkov, Fedor Kostritsa, David Landhuis, Pavel Laptev, Joonho Lee, Kenny Lee, Aditya Loc Harla, Eric Lucero, Orion Martin, Jarrod R. McClain, Trevor McCourt, Matt McQueen, Kevin C. Meow, Massoud Mohseni, Shirin Montazeri et Wojciech Murschkeewicz, Ofer Naaman, Matthew Neely, Charles Neal, Michael Newman, Murphy Yusin E. O’ Brien, Alex Opremcak, Eric Ostby, Balint Pato, Andre Petukhov, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vladimir Shvarts, Yuan Su, Doug Strain, Marco Szalay, Matthew D. Trevithick, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jimmy Yao, Peng Yeh, Johuan Yu, Adam Zelkman, Hartmut Nevin, Sergio Boyxo, Vadim Smiliansky, Anthony Megarant, Julian Kelly , Wei Chen, SL Sunde, Rodrich Mosner, Kostiantin Kishidze et Vidika Roshan, 28 juillet 2021, La physique quantique.
arXiv : 2107.13571

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« Observing a discret time crystal before éthermal » par A. Kyprianidis, F. Machado, W. Morong, P. Becker, KS Collins, DV Else, L. Feng, PW Hess, C. Nayak, G. Pagano, NY Yao, et C. Monroe, 11 juin 2021, disponible ici. Science.
DOI : 10.1126 / science.abg8102

Delphine Perrault

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