Récemment, une équipe internationale de chercheurs a réalisé, pour la première fois, une simulation expérimentale de la rupture spontanée de symétrie (SSB) à la température du zéro absolu, en utilisant un processeur quantique supraconducteur. Cette prouesse, atteinte avec une fidélité supérieure à 80 %, marque une avancée notable tant pour l’informatique quantique que pour la physique de la matière condensée.
Le système a débuté dans un état antiferromagnétique classique, où les particules affichent des spins alternés orientés en directions opposées, avant d’évoluer vers un état quantique ferromagnétique, où tous les spins s’alignent dans la même direction, tout en établissant des corrélations quantiques.
« Le système a commencé avec une configuration de spins alternés et a évolué spontanément pour s’aligner dans la même direction. Cette transition de phase est due à la rupture de symétrie », explique Alan Santos, physicien et chercheur à l’Institut de physique fondamentale du Conseil supérieur de recherches scientifiques (CSIC) en Espagne. Ce dernier a co-organisé l’équipe théorique impliquée dans cette étude. À l’époque de cette recherche, Santos était postdoctorant à la Fondation de soutien à la recherche scientifique de l’État de São Paulo (FAPESP) au sein du Département de physique de l’Université fédérale de São Carlos (UFSCar) à São Paulo.
L’étude a également impliqué des scientifiques de l’Université de science et technologie du Sud à Shenzhen (Chine), de l’Université d’Aarhus (Danemark) ainsi que de l’UFSCar. Chang-Kang Hu, de l’Académie quantique internationale à Shenzhen, est le premier signataire de l’étude.
« L’élément clé a été la simulation dynamique à la température du zéro absolu. Bien que des études antérieures aient été menées sur ce type de transition à des températures supérieures, nous avons démontré qu’à zéro absolu, il est possible d’observer la rupture de symétrie même avec des interactions locales entre particules voisines », précise Santos.
Il est crucial de noter que le zéro absolu ne peut être atteint physiquement, étant donné qu’il représente l’immobilité totale d’un système. Les chercheurs ont simulé, via l’informatique quantique, ce qui se passerait à cette température. L’expérimentation a utilisé un circuit quantique composé de sept bits quantiques, configurés pour permettre uniquement des interactions entre voisins immédiats. Un algorithme a été mis en place pour simuler l’évolution adiabatique à cette température. « Nous avons conçu le circuit, et les expérimentateurs en Chine l’ont implémenté physiquement », souligne Santos.
La transition de phase a été identifiée grâce à des fonctions de corrélation et à l’entropie de Rényi, qui ont mis en évidence la formation de motifs ordonnés et d’entrelacements quantiques. L’entrelacement quantique est une propriété fondamentale de la mécanique quantique : deux ensembles de particules peuvent être corrélés de manière à ce que l’état de l’un détermine instantanément l’état de l’autre, peu importe la distance qui les sépare. L’entropie de Rényi, développée par le mathématicien hongrois Alfréd Rényi dans les années 60, permet de quantifier ce degré d’entrelacement au sein d’un système quantique.
Santos insiste sur le fait que l’entrelacement et la superposition sont deux ressources essentielles en informatique quantique : « La superposition permet à un système d’exister dans plusieurs états simultanément, connu sous le nom de parallélisme quantique. L’entrelacement est une forme de corrélation qui ne peut être reproduite par des ordinateurs classiques. C’est comme si vous aviez un trousseau de clés : un ordinateur classique essaie chaque clé une à une, alors qu’un ordinateur quantique peut tester plusieurs clés en même temps, accélérant ainsi le processus. »
Dans les faits, la différence entre un ordinateur classique et un ordinateur quantique réside principalement dans les performances. En théorie, les deux peuvent résoudre les mêmes problèmes mathématiques, mais leur temps de réponse varie considérablement. Certains calculs, tels que la factorisation de grands nombres en nombres premiers, qui prendraient des millions d’années sur des ordinateurs classiques, peuvent être réalisés bien plus rapidement sur des ordinateurs quantiques.
Essayer de simuler des systèmes quantiques avec un ordinateur classique serait souvent une contradiction, parfois même une mission impossible. Cette étude a montré la faisabilité d’utiliser des ressources de calcul quantique pour de telles simulations.
L’implémentation a été réalisée avec des bits quantiques supraconducteurs, basés sur des alliages d’aluminium et de niobium, fonctionnant à des températures de l’ordre de quelques millikelvins au-dessus du zéro absolu.
Le concept de rupture de symétrie est omniprésent dans tous les domaines de la physique. « Toute la physique repose sur des symétries et leur rupture. La symétrie nous fournit des lois de conservation, tandis que la rupture de symétrie permet l’émergence de structures complexes », résume Santos.
Cette recherche, intitulée “Simulation numérique de la rupture spontanée de symétrie à zéro degré en processeur supraconducteur”, a été publiée dans la revue académique Nature Communications.
Points à retenir
- Première simulation de rupture de symétrie à température de zéro absolu.
- Utilisation d’un processeur quantique supraconducteur pour l’expérimentation.
- Importance des corrélations quantiques dans les systèmes physiques.
- Différence fondamentale entre les ordinateurs classiques et quantiques dans le traitement des données.
- Lien entre la physique fondamentale et les applications en informatique quantique.
En réfléchissant sur ces avancées, je me demande comment ces découvertes pourraient transformer notre compréhension des systèmes quantiques et leur application dans des domaines variés. Le potentiel qu’offre l’informatique quantique à ce sujet est immense, même si encore insuffisamment exploré. Il sera fascinant d’observer comment cette recherche évolue et quelles nouvelles perspectives elle pourrait ouvrir dans les années à venir.