Pour la première fois, deux cristaux temporels ont été connectés ensemble avec succès

Le pas merveilleux franchi par les physiciens

Les physiciens viennent de franchir une étape merveilleuse concernant les dispositifs quantiques qui semble sortir de la science-fiction.

Pour la première fois, des ensembles isolés de particules agissant comme des états inhabituels de la matière, connus sous le nom de cristaux temporels, ont été connectés en un système unique et évolutif qui pourrait être extrêmement utile en informatique quantique.

Après la première observation de l’interaction entre deux cristaux de temps, expliquée dans un article deux ans plus tôt, il s’agit de l’étape suivante vers l’exploitation potentielle des cristaux de temps pour des objectifs expérimentaux, tels que le traitement de l’information quantique.

Les cristaux de temps, tout juste découverts et confirmés officiellement il y a quelques années en 2016, étaient autrefois considérés comme physiquement irréalisables. Ils sont une phase de la matière très similaire aux cristaux typiques, mais pour une propriété supplémentaire, particulière et très unique.

Dans les cristaux réguliers, les atomes sont organisés en une structure de grille fixe et tridimensionnelle, comme le réseau atomique d’un diamant ou d’un cristal de quartz. Ces treillis répétitifs peuvent avoir des configurations différentes, mais tout mouvement qu’ils présentent provient exclusivement de poussées extérieures.

Dans les cristaux temporels, les atomes agissent un peu différemment. Ils présentent des modèles de mouvement dans le temps qui ne peuvent pas être expliqués aussi facilement par une poussée ou un choc externe. Ces oscillations – décrites comme un “tic-tac” – sont verrouillées à une fréquence régulière et spécifique.

En théorie, les cristaux temporels atteignent leur état d’énergie le plus bas possible – appelé état fondamental – et sont donc stables et cohérents sur de longues périodes. Ainsi, alors que la structure des cristaux réguliers se répète dans l’espace, dans les cristaux de temps, elle se répète dans l’espace et le temps, présentant ainsi un mouvement perpétuel de l’état fondamental.

Samuli Autti parle au nom des physiciens

“Tout le monde sait que les machines à mouvement perpétuel ne sont pas possibles”, déclare le physicien et auteur principal Samuli Autti du Lancaster College au Royaume-Uni.

“Néanmoins, en physique quantique, le mouvement perpétuel est acceptable tant que nous gardons les yeux fermés. En nous faufilant par cette fissure, nous pouvons fabriquer des cristaux de temps”.

Les cristaux de temps sur lesquels le groupe a travaillé sont liés à des quasi-particules appelées magnons. Les magnons ne sont pas de véritables particules mais consistent en une excitation collective du spin des électrons, comme une onde qui se propage par un réseau de spins.

Les magnons apparaissent lorsque l’hélium-3 – un isotope stable de l’hélium avec deux protons mais un seul neutron – est refroidi à un dix-millième de degré près au zéro absolu.

Cela forme ce que l’on appelle un superfluide de phase B, un fluide à viscosité nulle et à faible pression.

Bose-Einstein

Dans ce milieu, les cristaux de temps sont créés sous forme de condensats de Bose-Einstein spatialement distincts, chacun contenant un trillion de quasi-particules de magnon.

Un condensat de Bose-Einstein est généré à partir de bosons refroidis à une simple fraction au-dessus du zéro absolu (sans toutefois atteindre le zéro absolu, point auquel les atomes cessent de bouger).

Ils se déplacent alors très lentement et se rapprochent suffisamment pour se chevaucher, formant ainsi un nuage d’atomes de haute densité qui agit comme un “super-atome” ou une onde de matière.

Lorsqu’on a permis aux cristaux à deux temps de se toucher, ils ont changé de magnons. Ce changement a influencé l’oscillation de chaque cristal de temps, développant un système unique avec le choix de fonctionner dans deux états discrets.

Cristal de temps fonctionnant dans un système à deux états

En physique quantique, les objets qui peuvent avoir plus d’un état existent dans un mélange de ces états avant d’avoir été fixés par une simple mesure. Cependant, le fait qu’un cristal de temps fonctionne dans un système à deux états offre une nouvelle sélection riche comme base pour les technologies quantiques.

Les cristaux de temps sont loin d’être déployés en tant que qubits, car il reste de nombreux obstacles à résoudre. Néanmoins, les pièces commencent à se mettre en place.

Au début de cette année, un groupe de physiciens a révélé qu’il avait réussi à créer des cristaux de temps à température spatiale qui ne nécessitent pas d’être séparés de leur environnement ambiant.

Des interactions plus poussées entre les cristaux temporels et un contrôle précis nécessiteront des développements supplémentaires, tout comme des cristaux temporels interagissant de façon remarquable sans avoir besoin de super liquides refroidis. Toutefois, les scientifiques ont bon espoir.

“Il s’avère que mettre deux d’entre eux ensemble fonctionne à merveille, même si les cristaux temporels ne devraient pas exister en premier lieu”, déclare Autti. “Et nous savons déjà qu’ils existent aussi à température ambiante”.

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