L’objet défie les lois de la physique et pourrait révolutionner le fonctionnement des futurs ordinateurs. Des scientifiques affirment avoir réussi à créer un cristal temporel pendant environ 100 secondes, au cœur du processeur quantique Sycamore de Google. C’est la première fois que cette étrange et fascinante matière a pu être observée suffisamment longtemps pour être étudiée.
Un cristal temporel est un concept qui a été présenté pour la première fois en 2012 par le physicien américain Frank Wilczek ; le terme désigne une structure composée d’un groupe de particules ordonnées selon un motif répété, tel un cristal classique, mais qui se déplacent et retournent à leur état d’origine de façon périodique, tel un oscillateur. En d’autres termes, l’arrangement des cristaux standards se répète dans l’espace, tandis que celui des cristaux temporels se répète dans le temps.
Mais surtout, ils sont capables de passer indéfiniment d’un état à l’autre sans apport d’énergie, comme une horloge à mouvement perpétuel, et sans jamais en perdre non plus. Ainsi, ces cristaux vont à l’encontre de l’une des lois les plus importantes de la physique, le deuxième principe de la thermodynamique, qui stipule que toute transformation d’un système s’accompagne d’une augmentation d’entropie (qu’on peut assimiler au « désordre » du système). Bien qu’ils existent dans un état de flux constant, ces cristaux restent stables. Ils constituent en quelque sorte une nouvelle phase de la matière.
Comme un pendule qui ne cesse de se balancer
Tous les systèmes tendent à évoluer vers un état plus désordonné, où l’énergie est répartie uniformément. Mais les cristaux temporels ne suivent pas cette règle fondamentale. Au lieu de s’approcher lentement de l’équilibre thermique — de manière à ce que leur énergie ou leur température soit également répartie dans leur environnement —, ils restent coincés entre deux états d’énergie supérieurs à cet état d’équilibre, passant indéfiniment de l’un à l’autre.
Pour expliquer ce comportement, Kurt von Keiserling, physicien à l’Université de Birmingham, fait l’analogie avec une boîte scellée remplie de pièces de monnaie, que l’on secouerait un million de fois. À mesure que les pièces ricochent et rebondissent les unes sur les autres, elles « deviennent de plus en plus chaotiques, explorant toutes les sortes de configurations possibles » jusqu’à ce que les secousses s’arrêtent et que la boîte soit ouverte : les pièces se retrouvent alors dans une configuration aléatoire, avec environ la moitié des pièces côté pile et l’autre moitié côté face — et ce, quelle que soit la façon dont les pièces étaient disposées au départ.
Il faut à présent considérer les qubits du processeur quantique de Google comme ces pièces de monnaie. De la même manière que les pièces de monnaie peuvent se retrouver du côté pile ou face, les qubits peuvent prendre la valeur 1 ou 0, ou plutôt, une superposition de ces deux états de base. « Ce qui est étrange avec les cristaux temporels, c’est qu’aucune secousse, aucun passage d’un état à un autre, ne peut faire passer les qubits du cristal dans l’état d’énergie le plus bas, qui est une configuration aléatoire », souligne von Keiserling. Les qubits ne peuvent que passer de leur état initial à leur deuxième état, puis revenir en arrière. « Cela n’a pas l’air aléatoire. […] C’est comme si [le cristal] se souvenait de son apparence initiale et qu’il répétait ce schéma au fil du temps ».
Un cristal temporel est donc comme un pendule qui ne cesse de se balancer. Mais aucun objet à grande échelle ne peut se comporter comme tel ; même un pendule complètement isolé de toute friction et de toute résistance à l’air finira pas s’arrêter. « L’énergie commence par être concentrée dans le centre de masse du pendule, mais il y a tous ces degrés de liberté internes — comme les façons dont les atomes peuvent vibrer à l’intérieur de la tige — dans lesquels elle sera finalement transférée », explique Achilleas Lazarides, physicien de l’Université de Loughborough. Seule la mécanique quantique permet aux cristaux temporels d’exister.
La preuve d’une nouvelle phase de la matière
Dans le monde quantique, les objets se comportent à la fois comme des particules ponctuelles et comme de petites ondes, lesquelles définissent la probabilité de présence d’une particule. Le hasard peut faire que l’onde de probabilité s’annule partout, sauf sur une petite région : la particule devient alors localisée.
Les chercheurs ont utilisé ce processus de localisation comme base de leur expérience. Ils ont utilisé 20 bandes d’aluminium supraconducteur pour créer leurs qubits, puis ont programmé chacun d’eux dans l’un des deux états possibles. En projetant un faisceau de micro-ondes sur les bandes, ils ont alors pu faire passer leurs qubits d’un état à l’autre. L’équipe a répété l’expérience des dizaines de milliers de fois, s’arrêtant à différents endroits pour enregistrer les états dans lesquels se trouvaient les qubits. Ils ont alors constaté que ces derniers n’alternaient qu’entre deux configurations, et qu’ils n’absorbaient pas de chaleur issue du faisceau de micro-ondes : ils avaient donc créé un cristal temporel.
Ils ont également pu prouver que leur cristal temporel était une phase de la matière. Pour qu’un élément soit considéré comme tel, il doit généralement être très stable face aux fluctuations. En effet, les solides ne fondent pas si la température ambiante varie légèrement, tout comme de légères fluctuations n’entraînent pas l’évaporation ou la congélation soudaine des liquides. Or, en modifiant légèrement la température du faisceau de micro-ondes utilisé, les chercheurs ont constaté que les qubits continuaient à basculer d’un état à l’autre.
Autre caractéristique du passage d’une phase à une autre : la rupture des symétries physiques, autrement dit l’idée que les lois physiques soient les mêmes pour un objet en tout point du temps ou de l’espace. De la même manière que l’eau que l’on refroidit en dessous de 0 °C devient un cristal dans l’espace en brisant la symétrie spatiale, les cristaux temporels deviennent comme tel en brisant la symétrie temporelle. Avant leur transformation en phase de cristal temporel, les qubits affichent une symétrie continue à chaque moment. Mais les qubits finissent par rompre avec la symétrie discrète de translation temporelle imposée par le faisceau périodique de micro-ondes. Ce sont les premiers objets connus capables de faire cela.
Mais comme tous les ordinateurs quantiques, le Sycamore de Google souffre de décohérence, ce qui peut provoquer une dégradation des états quantiques des qubits, et signifie que les oscillations des cristaux temporels s’atténuent inévitablement lorsque l’environnement interfère avec le système. Les chercheurs travaillent donc à isoler plus efficacement leur processeur pour remédier au problème. Si Google s’intéresse de près aux cristaux temporels, c’est parce qu’ils peuvent potentiellement alimenter des ordinateurs quantiques ultra-puissants, capables d’effectuer des calculs à grande échelle beaucoup plus rapidement qu’un superordinateur standard.
