Le document n'est pas encore publié, mais fait déjà parler de lui. Dans un article scientifique, des chercheurs de Google, en collaboration avec leurs collègues des universités américaines de Princeton et Stanford, indiquent être parvenus à simuler un cristal temporel avec l’ordinateur quantique de la société.
Mise en ligne en accès libre à la fin du mois de juillet – avant la validation par les pairs nécessaire à sa publication dans une revue –, cette étude détaille la première expérimentation d’un nouvel état de la matière, théorisé en 2012 par des chercheurs de Princeton et de Loughborough, au Royaume-Uni. Une découverte de physique fondamentale, loin des usages industriels attendus des calculateurs quantiques, qui soulève plusieurs questions.
De quoi s'agit-il?
D’abord, qu’est-ce qu’un cristal temporel? "C’est un état de la matière qui n’existe à priori pas naturellement", pose Sébastien Tanzilli, directeur de recherche, chargé de la physique et des technologies quantiques, à l’Institut de physique du CNRS. Peu probable, donc, d’en trouver au fond d’une mine ou dans l’espace. Que ce soit de la neige, du sucre ou un diamant, tous les cristaux possèdent la même caractéristique: leurs atomes sont organisés de manière régulière, selon un même motif répété de nombreuses fois. Le cristal temporel, lui, répète un motif identique… Dans le temps.
Illustration: prenez une série d’atomes alignés. Certains pointent vers le haut, d’autres vers le bas. Dans un cristal temporel, l’orientation de ces atomes va alterner, de manière cyclique, sans déperdition d’énergie. Le système revient ainsi régulièrement à son état d’origine, chaque atome pointant exactement là où il indiquait au départ de l’expérience.
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"Cette périodicité dans le temps n’a pas d’équivalent en physique classique [non-quantique], rappelle Loïc Henriet, directeur logiciel et applications de la start-up Pasqal, qui a soutenu sa thèse en 2016 sur le sujet. Si on essaie de faire la même chose avec un système classique, il finira par atteindre un état d’équilibre. C’est ce qui s’appelle la thermalisation." C’est ce phénomène qui pousse par exemple un nuage de lait à se mélanger au café pour former un liquide homogène – un système chimique à l’équilibre.
"Pour un système quantique, ce n’est pas si simple, continue le scientifique. Certains systèmes ne thermalisent pas et peuvent rester dans un état spécifique pendant un temps infini, gardant en mémoire leur état d’origine pour y revenir de manière cyclique." Exactement ce qui se passe dans le cristal temporel expérimenté dans l'étude.
A quoi cela sert-il?
Cette découverte va-t-elle trouver une utilité à court terme? "C’est une question de physique fondamentale, ça ne sert pas à grand-chose. Du moins, pour l’instant", tempère Loïc Henriet.
Du point de vue scientifique, l’expérience valide une théorie récente, émise en 2012 par une équipe du prix Nobel Franck Wilczek… Et encore controversée. Une partie de la communauté scientifique considère que l’existence d’un cristal temporel ne peut cohabiter avec la seconde loi de thermodynamique – qui affirme que l’état d’un système, notamment lors d’échanges thermiques, s’éloigne de son état initial dans un désordre croissant.
"Maintenant, est-ce que des chimistes parviendront à synthétiser des atomes répondant aux caractéristiques d’un cristal temporel? Difficile à dire, je pense que la route est longue", fait mine de s’interroger Sébastien Tanzilli.
Toujours est-il que cette expérience revêt un l’intérêt pour l’informatique quantique. "La découverte de nouveaux états de la matière est l’un des intérêts du calcul quantique", estime le physicien. Cette simulation quantique rappelle l’utilité des calculateurs imparfaits, dits Nisq (pour "Quantique bruité de taille intermédiaire"), "pour comprendre comment la matière, la lumière, les particules quantiques se comportent lorsqu’elles sont nombreuses et en interaction", rappelle Loïc Henriet.
Le spécialiste logiciel de la pépite francilienne se prend même à évoquer "une idée très vague, embryonnaire" sur une potentielle application offerte par les cristaux temporels. "Le fait que le système revienne à son état initial fait penser à une mémoire très stable, protégée des interférences extérieures", émet-il.
Est-ce une révolution scientifique?
Faut-il voir dans cette annonce une révolution? La question peut se poser. A l’état de prépublication, l’article n’a pas encore été validé par le comité scientifique d’une revue. Pourtant, certains médias américains, comme Quanta Magazine, s’en faisaient l’écho dès le lendemain de sa mise en ligne… Evoquant une découverte qui mettrait à mal la seconde loi de thermodynamique. "C’est une nouvelle phase de la matière, c’est intéressant, mais ce n’est pas une révolution, modère Loïc Henriet. Rien ici ne casse de manière fondamentale la physique que l’on connaît."
Pour Sébastien Tanzilli, communiquer sur une prépublication "n’est pas commun, mais pas inhabituel". Surtout pour Google. "Ils ont fait grand bruit lors de leur démonstration de la suprématie quantique [qui avait brièvement fuité un mois avant sa publication dans Nature, fin 2019, ndlr] avant qu’IBM ne les contredisent", rappelle-t-il.
Pour le moment, la société n’a émis aucun communiqué sur son cristal temporel. "Des revues comme Nature ou Science pratiquent l’embargo, note le chercheur. Il y a quelques années, elles refusaient même que les chercheurs mettent leurs prépublications sur des archives ouvertes." Reste donc à attendre la publication, probable, de l’étude dans l’un de ces journaux pour entendre Google s’exprimer publiquement sur le sujet.
