Dans un nouveau document de recherche, les scientifiques de Google affirment avoir utilisé un processeur quantique pour une application scientifique utile : l'observation d'un véritable cristal de temps.
Si le terme "cristal de temps" fait penser à de la science-fiction, c'est parce que c'est le cas. Les cristaux de temps ne sont rien de moins qu'une nouvelle "phase de la matière", selon les termes des chercheurs. Cela est théorisé depuis quelques années déjà comme un nouvel état qui pourrait potentiellement rejoindre les rangs des solides, des liquides, des gaz, des cristaux, etc. L'article universitaire doit cependant encore faire l'objet d'un examen par les pairs.
Les cristaux de temps sont également difficiles à trouver. Mais les scientifiques de Google déclarent à présent, de manière plutôt excitante, que leurs résultats établissent une "approche évolutive" pour étudier les cristaux de temps sur les processeurs quantiques actuels.
Les systèmes tendent naturellement vers un état état ayant l'énergie la plus faible possible
Pour comprendre pourquoi les cristaux temporels sont intéressants, il faut avoir quelques notions de physique. Et notamment connaître la deuxième loi de la thermodynamique. Elle stipule que les systèmes tendent naturellement vers un état état ayant l'énergie la plus faible possible, également appelé équilibre thermique. C'est pourquoi un glaçon fond dans un verre d'eau à température ambiante, par exemple.
Cette tendance irrésistible à l'équilibre thermique, décrite dans la deuxième loi de la thermodynamique, reflète le fait que toutes les choses tendent à évoluer vers des états moins utiles et aléatoires. Au fil du temps, les systèmes dégénèrent inévitablement en chaos et en désordre, une notion connue sous le nom d'entropie.
Les cristaux de temps, en revanche, ne parviennent pas à s'installer en équilibre thermique. Au lieu de dégénérer lentement vers l'aléatoire, ils restent coincés dans deux configurations à haute énergie entre lesquelles ils passent - et ce processus de va-et-vient peut durer éternellement, dans ce que les scientifiques appellent le "mouvement perpétuel".
"Les seuls cristaux de temps stables que nous avons envisagés dans des systèmes fermés relèvent de la mécanique quantique"
Pour mieux expliquer ce phénomène, Curt von Keyserlingk, maître de conférences à l'école de physique et d'astronomie de l'université de Birmingham, qui n'a pas participé à la dernière expérience de Google, sort quelques diapositives d'un exposé d'introduction aux futurs étudiants de premier cycle. "Ils font généralement semblant de comprendre, alors cela pourrait être utile", prévient von Keyserlingk à ZDNet.
Tout commence par une expérience de pensée. Prenez une boîte dans un système fermé et isolé du reste de l'univers. Mettez-y quelques dizaines de pièces de monnaie et secouez-la un million de fois. En rebondissant les unes sur les autres, les pièces changent de position au hasard. Un état de plus en plus chaotique. En ouvrant la boîte, on s'attend à ce que la moitié des pièces soient sur le côté pile et l'autre moitié sur le côté face.
Peu importe que l'expérience ait commencé avec plus de pièces sur le côté pile ou plus de pièces sur le côté face : le système oublie la configuration initiale et devient de plus en plus aléatoire et chaotique à mesure qu'il est secoué.
Ce système fermé, lorsqu'il est traduit dans le domaine quantique, est le cadre parfait pour tenter de trouver des cristaux de temps. "Les seuls cristaux de temps stables que nous avons envisagés dans des systèmes fermés relèvent de la mécanique quantique", explique M. von Keyserlingk.
Les cristaux de temps défient toute attente
C'est là qu'intervient le processeur quantique de Google, Sycamore. Il est bien connu pour avoir atteint la suprématie quantique, et les utilisateurs actuels cherchent maintenant une sorte d'application utile pour l'informatique quantique.
Un processeur quantique, par définition, est un outil parfait pour reproduire un système mécanique quantique. Dans ce scénario, l'équipe de Google a représenté les pièces de monnaie dans la boîte par des qubits tournant vers le haut et vers le bas dans un système fermé. Et au lieu de secouer la boîte, ils ont appliqué un ensemble d'opérations quantiques spécifiques qui peuvent changer l'état des qubits. Ce qu'ils ont répété plusieurs fois.
C'est ici que les cristaux de temps défient toute attente. En observant le système après un certain nombre d'opérations, ou de secousses, on constate que la configuration des qubits n'est pas aléatoire, mais ressemble plutôt à la configuration initiale.
Le cristal temporel n'oublie pas
"Le premier ingrédient d'un cristal temporel est qu'il se souvient de ce qu'il faisait au départ. Il n'oublie pas", explique M. von Keyserlingk. "Le système de pièces dans une boîte oublie, mais pas un système de cristal de temps".
Et cela ne s'arrête pas là. Si vous secouez le système un nombre de fois pair, vous obtiendrez une configuration similaire à celle d'origine. Mais si vous le secouez un nombre de fois impair, vous obtiendrez une autre configuration, dans laquelle pile est devenue face et vice-versa.
Et quel que soit le nombre d'opérations effectuées sur le système, il basculera toujours, faisant régulièrement l'aller-retour entre ces deux états.
Rupture de la symétrie du temps
Les scientifiques appellent cela une rupture de la symétrie du temps. C'est pourquoi les cristaux de temps sont appelés ainsi. En effet, l'opération effectuée pour stimuler le système est toujours la même, et pourtant la réponse ne survient qu'une fois sur deux.
"Dans l'expérience de Google, ils effectuent une série d'opérations sur cette chaîne de spins, puis ils refont exactement la même chose, encore et encore. Ils font la même chose au centième pas qu'au millionième pas, s'ils vont aussi loin", explique M. von Keyserlingk. "Ils soumettent donc le système à un ensemble de conditions symétriques, et pourtant le système réagit d'une manière qui brise cette symétrie. C'est la même chose toutes les deux périodes au lieu de toutes les périodes. C'est ce qui en fait littéralement un cristal temporel."
Le comportement des cristaux de temps, d'un point de vue scientifique, est fascinant. Contrairement à tous les autres systèmes connus, ils ne tendent pas vers le désordre et le chaos. Contrairement aux pièces de monnaie dans la boîte, ils s'opposent à la loi de l'entropie en restant bloqués dans un état spécial, celui du cristal de temps.
Un précédent au Pays-Bas
En d'autres termes, ils défient la deuxième loi de la thermodynamique, qui définit la direction que prennent tous les événements naturels. Réfléchissez-y un instant.
Ces systèmes spéciaux ne sont pas faciles à observer. Les cristaux de temps sont un sujet d'intérêt depuis 2012, lorsque le professeur du MIT Frank Wilczek, lauréat du prix Nobel, a commencé à y réfléchir. Et la théorie a été réfutée, débattue et contredite à de nombreuses reprises depuis lors.
Plusieurs tentatives ont été faites pour créer et observer des cristaux de temps à ce jour, avec plus ou moins de succès. Ce n'est que le mois dernier qu'une équipe de l'université technologique de Delft, aux Pays-Bas, a publié une étude montrant qu'elle avait construit un cristal de temps dans un processeur en diamant, bien qu'il s'agisse d'un système plus petit que celui revendiqué par Google.
Cette expérience ne prouve en rien la question de la suprématie quantique
Les chercheurs du géant de la recherche ont utilisé une puce contenant 20 qubits pour servir de cristal de temps - beaucoup plus, selon von Keyserlingk, que ce qui a été réalisé jusqu'à présent et que ce qui pourrait être réalisé avec un ordinateur classique.
Avec un ordinateur portable, il est assez facile de simuler environ 10 qubits, explique von Keyserlingk. Au-delà, les limites du matériel actuel sont vite atteintes : chaque qubit supplémentaire nécessite une quantité exponentielle de mémoire.
Le scientifique se garde bien d'affirmer que cette nouvelle expérience est une démonstration de la suprématie quantique. "Ils ne sont pas encore assez loin pour que je puisse dire que c'est impossible à faire avec un ordinateur classique, parce qu'il pourrait y avoir une façon intelligente de le faire sur un ordinateur classique à laquelle je n'ai pas pensé", dit von Keyserlingk. "Mais je pense que c'est de loin la démonstration expérimentale la plus convaincante d'un cristal temporel à ce jour".
Les cristaux temporels ne sont pas près de trôner dans nos salons
La portée et le contrôle de l'expérience de Google signifient qu'il est possible d'examiner les cristaux temporels pendant plus longtemps, d'effectuer des séries de mesures détaillées, de faire varier la taille du système, etc. En d'autres termes, il s'agit d'une démonstration utile qui pourrait véritablement faire progresser la science - et, à ce titre, elle pourrait être essentielle pour montrer le rôle central que les simulateurs quantiques joueront pour permettre des découvertes en physique.
Il y a, bien sûr, quelques mises en garde. Comme tous les ordinateurs quantiques, le processeur de Google souffre toujours de la décohérence, qui peut entraîner une dégradation des états quantiques des qubits et signifie que les oscillations des cristaux de temps s'éteignent inévitablement lorsque l'environnement interfère avec le système.
L'auteur de l'étude affirme toutefois que ce problème pourrait être atténué à mesure que le processeur est mieux isolé.
Une chose est sûre : les cristaux temporels ne sont pas près de trôner dans nos salons, car les scientifiques n'ont pas encore trouvé d'application utile définitive pour eux. Il est donc peu probable que l'expérience de Google ait eu pour but d'explorer la valeur commerciale des cristaux de temps. Elle montre plutôt ce qui pourrait être une autre application précoce de l'informatique quantique, et une nouvelle démonstration des prouesses technologiques de l'entreprise dans un nouveau domaine de développement très concurrentiel.
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