Les cristaux de temps pourraient aider à créer informatique quantique un stockage de données qui dure quelques minutes, selon de nouvelles recherches – une amélioration considérable par rapport à la durée de quelques millisecondes du stockage de données quantiques existant.
Dans le cadre de cette nouvelle recherche, les scientifiques ont mené des expériences sur la manière dont les cristaux temporels interagissent avec les ondes mécaniques. Bien que les cristaux temporels soient largement considérés comme extrêmement fragiles, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient coupler le cristal temporel à une onde mécanique de surface sans qu’elle soit détruite.
« C’est pour moi la partie la plus intéressante », co-auteur de l’étude Jere Mäkinenchercheur à l’université Aalto en Finlande, a déclaré à Live Science. « C’est que vous pouvez réellement coupler des cristaux temporels de manière significative à un autre système et exploiter la robustesse inhérente des cristaux temporels. »
Les chercheurs ont décrit leurs résultats dans une étude publiée le 16 octobre dans la revue Communications naturelles.
Faire des vagues dans la recherche sur les cristaux temporels
Les structures cristallines traditionnelles ont une disposition régulière d’atomes ou de molécules dans l’espace, mais les cristaux temporels reviennent à un certain état après des périodes de temps régulières. Ce n’est pas la même chose qu’un pendule, par exemple, où la fréquence de balancement reflète simplement la fréquence de la force d’oscillation vers le bas, alors que l’attraction gravitationnelle rivalise avec l’orientation changeante de la tension. Dans le cas d’un cristal temporel, bien qu’en pratique une incitation initiale à l’action soit nécessaire, la périodicité est acquise spontanément, sans que rien ne la conduise à cette fréquence.
Depuis qu’ils étaient les premiers proposé en 2012diverses configurations qui agissent comme cristaux de temps ont été signalés. Mäkinen et ses collaborateurs ont basé les leurs sur des quasiparticules appelées magnons – des ondes collectives ayant la valeur d’une propriété quantique connue sous le nom de spin. Ils ont créé des magnons dans « l’hélium superfluide-3 », un hélium dont les noyaux ont deux protons et un seul neutron afin que les spins des particules dans le noyau ne puissent pas s’annuler.
Ils ont refroidi l’hélium 3 à des températures cryogéniques afin que la dynamique des atomes les amène à s’attirer efficacement, quoique faiblement, et à se réorganiser en quasi-particules appelées paires de Cooper. En tant que paires de Cooper, ces quasiparticules sont limitées à un seul état quantique disponible, ce qui élimine ainsi la viscosité du fluide.
Il s’avère que le mouvement de va-et-vient de l’hélium superfluide 3 avec une onde de surface mécanique a un effet intéressant qui se résume à l’influence de la surface sur le spin et le moment cinétique orbital des paires de Cooper, qui sont les propriétés utilisées pour caractériser le superfluide. Pour illustrer cela, pensons à l’influence d’un mur sur les orbites possibles d’une balle filée au bout d’une corde : dans l’espace libre, les orbitales de la balle peuvent prendre n’importe quelle orientation en trois dimensions, mais si on la rapproche d’un mur, certaines de ces orbitales ne sont plus possibles.
Mäkinen et ses collaborateurs ont reconnu que cela influencerait la période du cristal du temps magnon. Dans leurs expériences, ils ont découvert que le cristal temporel pouvait survivre à l’interaction pendant quelques minutes maximum. Cela suggère qu’il pourrait être possible de coupler les données des ordinateurs quantiques au cristal temporel via une interaction similaire pour le stockage.
Dans les ordinateurs quantiques, chacun qubit peut être dans une superposition de deux états binaires à la fois, ce qui constitue la base d’une puissance de traitement théoriquement plus élevée. La mémoire des ordinateurs quantiques doit donc stocker des données qui préservent cette qualité indéfinie de l’état du qubit.
Les technologies de mémoire des ordinateurs quantiques actuels utilisent généralement l’orientation du spin pour stocker des données, mais ces états de spin sont facilement perturbés par des perturbations environnementales telles que le bruit thermique. Ces perturbations les poussent dans l’un ou l’autre état possible, ce qui signifie que la nature quantique des données stockées est perdue. En tant que telle, la mémoire quantique de spin ne dure que quelques millisecondes.
En revanche, les magnons créés par Mäkinen et ses collaborateurs ont duré quelques minutes, même avec la perturbation de l’onde mécanique de surface. Puisque l’onde de surface laisse une empreinte sur la fréquence du cristal temporel du magnon, elle peut être utilisée pour « écrire » les données quantiques à stocker. Avec une mémoire quantique plus longue, davantage d’opérations de traitement quantique peuvent être mises en œuvre sur les données avant qu’elles ne se détériorent, permettant ainsi des tâches plus complexes.
Analogies de manuels scolaires
Après avoir examiné les données expérimentales, l’équipe a également découvert plusieurs similitudes avec l’optomécanique, où la lumière et les résonateurs mécaniques interagissent. Un exemple est l’impact à peine perceptible d’un photon frappant un miroir fixé à un ressort, où le ressort gagne ou perd de l’énergie lorsque le photon rebondit sur le miroir.
L’établissement de parallèles entre les cristaux temporels et l’optomécanique pourrait révéler une théorie du domaine bien établi de l’optomécanique qui peut s’appliquer aux cristaux temporels soumis à une onde mécanique, offrant ainsi une longueur d’avance dans la compréhension de ces interactions.
« L’optomécanique est un thème très général dans de nombreux domaines de la physique, vous pouvez donc l’utiliser dans une grande variété de systèmes différents », a déclaré Mäkinen.
Nikolaï Jeludev, un professeur de physique et d’astronomie à l’Université de Southampton qui étudie également les cristaux du temps et l’optomécanique mais n’a pas été impliqué dans l’étude, a décrit l’étude comme « intéressante ». « Elle ouvre une direction de recherche dans la physique des systèmes hors équilibre avec des implications potentielles pour faire progresser la détection quantique et le contrôle quantique », a-t-il déclaré à Live Science dans un e-mail.
Mäkinen a déclaré qu’il souhaitait explorer différents types de configurations pour se coupler mécaniquement au cristal temporel, comme avec un résonateur électromécanique nanofabriqué, qui aurait une masse bien inférieure à celle de l’onde de surface superfluide. « L’idée évidente est d’aller vraiment vers la limite quantique et de voir jusqu’où nous pouvons la pousser », a-t-il déclaré.
