La matière vient de s'affranchir des règles

Il ne s'agit pas simplement de réflexions théoriques de laboratoire. Pendant des décennies, le plus grand obstacle à la course vers un ordinateur quantique fonctionnel a été le « bruit ». Les bits quantiques, ou qubits, sont notoirement sensibles. Si une vibration parasite ou une infime hausse de température les affecte, ils perdent leurs données et le système tout entier s'effondre. La découverte par Powell de ces états « de Floquet » suggère que nous pouvons créer des matériaux qui sont, dans les faits, immunisés contre ce chaos. En maintenant le matériau dans un état constant de changement rythmique, les physiciens créent une stabilité qu'une matière statique ne peut tout simplement pas offrir.

L'effet stroboscopique magnétique

Pour comprendre ce que Powell et son collègue Louis Buchalter ont accompli, il faut cesser de considérer la matière comme un bloc solide et immuable. Normalement, un cristal est comme une photographie fixe. Les atomes sont disposés en rangées, les électrons circulent, et l'ensemble reste en place. Mais l'équipe de Powell a utilisé une technique appelée ingénierie de Floquet. Imaginez cela comme une lumière stroboscopique dans une boîte de nuit sombre. Lorsque la lumière est éteinte, vous ne voyez pas les danseurs. Lorsqu'elle vacille à une fréquence spécifique, les danseurs semblent se déplacer au ralenti ou même rester immobiles en plein air.

La beauté de cette approche réside dans le contrôle. Dans la science des matériaux traditionnelle, si vous voulez une propriété différente, vous devez trouver une roche différente. Vous voulez quelque chose de plus conducteur ? Trouvez du cuivre. Vous voulez quelque chose de magnétique ? Trouvez du fer. Avec l'ingénierie de Floquet, vous ne changez pas la roche ; vous changez le rythme. En ajustant la fréquence du champ magnétique, les chercheurs peuvent définir des propriétés quantiques spécifiques à la volée. Cela transforme le matériau en une toile programmable.

Exploiter le fantôme d'un photon

À l'intérieur d'un cristal spécifique appelé oxyde de cérium et de zirconium, l'équipe de Dai a observé quelque chose qui semble relever de la science-fiction : des photons émergents. Habituellement, les photons sont les particules de lumière qui voyagent à travers le vide spatial. Mais ici, ils jaillissaient d'un cristal solide. Il ne s'agit pas des photons provenant du soleil ; ce sont des versions « fantomatiques » qui émergent de la danse collective des atomes à l'intérieur du matériau.

Cette découverte confirme que nous pouvons créer, à l'intérieur de solides, des environnements qui imitent les lois fondamentales de l'univers tout entier. C'est comme avoir une version miniature du cosmos piégée dans une pierre précieuse. Pour l'informatique quantique, c'est une mine d'or. Ces particules émergentes sont « fractionnées », ce qui signifie qu'il s'agit de fragments d'électrons qui se sont effectivement dissociés. Parce qu'elles sont réparties à travers le matériau, elles sont incroyablement difficiles à perturber. Vous ne pouvez pas casser quelque chose qui est déjà intentionnellement brisé et dispersé sur un millier d'atomes.

Quand les électrons abandonnent leur travail quotidien

L'étrangeté ne s'arrête pas aux impulsions magnétiques ou aux photons fantômes. Dans les laboratoires du monde entier, les électrons commencent à se comporter de manières qui défient tous les manuels scolaires. Pendant un siècle, nous avons traité les électrons comme de minuscules billes filant à travers des fils électriques. Mais de nouvelles recherches sur la matière exotique montrent que, dans les bonnes conditions, les électrons cessent tout simplement d'agir comme des particules.

Dans certains matériaux quantiques, les électrons commencent à s'écouler comme un liquide sans friction. Dans d'autres, ils perdent leur identité individuelle et agissent comme une onde collective unique. C'est un cauchemar pour la physique classique, mais un rêve pour les ingénieurs. Si un électron n'agit pas comme une particule, il ne rebondit pas sur les obstacles. S'il ne rebondit pas, il ne génère pas de chaleur. S'il ne génère pas de chaleur, vous pouvez construire un ordinateur qui n'a pas besoin de ventilateur et qui ne ralentit jamais.

Le piège, comme toujours, est l'environnement. La plupart de ces états nécessitent des températures plus froides que l'espace profond ou des champs magnétiques assez puissants pour soulever une voiture. C'est pourquoi l'ingénierie de Floquet de Powell est si vitale. En utilisant des champs dépendant du temps pour « piloter » la matière, nous pourrions être en mesure de tromper ces matériaux pour qu'ils restent dans ces états exotiques à des températures plus élevées et dans des conditions moins extrêmes. C'est la différence entre avoir besoin d'un super-réfrigérateur refroidi à l'azote liquide et disposer d'un appareil qui fonctionne sur votre bureau.

L'étalon-or de la violence cosmique

Vous vous demandez peut-être pourquoi nous sommes obsédés par ces états de la matière fragiles et vacillants en laboratoire. La réponse réside dans les bijoux que vous portez ou l'or dans votre smartphone. Pendant des décennies, nous avons été confrontés à un « mystère nucléaire » concernant l'origine réelle des éléments lourds comme l'or. Nous savions qu'ils n'étaient pas fabriqués dans le ventre des étoiles comme l'oxygène ou le carbone ; la physique y n'est pas assez violente.

Il s'avère que l'or est le résultat de l'expérience ultime sur la matière exotique : la collision d'étoiles à neutrons. Une étoile à neutrons est essentiellement un noyau atomique géant de la taille d'une ville. C'est la forme de matière la plus extrême de l'univers observable. Lorsque deux d'entre elles entrent en collision, elles créent des conditions si bizarres que les règles du tableau périodique sont balayées. Dans ce chaos, les neutrons sont poussés dans les atomes à une telle cadence que les éléments lourds sont forgés en quelques secondes.

La fin du monde statique

Le changement auquel nous assistons est le passage d'une vision « statique » de l'univers à une vision « dynamique ». Pendant la majeure partie de l'histoire humaine, nous regardions une roche et voyions une roche. Maintenant, nous regardons un matériau et voyons un ensemble de possibilités qui peuvent être débloquées avec le bon rythme. Le travail d'Ian Powell avec l'ingénierie de Floquet a montré que les « limitations » de la matière ne sont principalement qu'un manque d'imagination. Si un matériau ne possède pas la propriété dont vous avez besoin, vous pouvez le faire vibrer jusqu'à ce qu'il l'acquière.

Louis Buchalter, l'étudiant chercheur qui a travaillé sur l'étude de Cal Poly, a noté que la recherche suit rarement une ligne droite. Il a fallu de la persévérance pour cartographier le « diagramme de phase topologique » — essentiellement une carte indiquant où vivent ces états impossibles de la matière. Cette carte est désormais un guide pour la prochaine génération d'ingénieurs. Ils ne chercheront pas de nouveaux éléments ; ils chercheront de nouvelles façons de faire circuler l'énergie à travers ceux que nous possédons déjà.

Nous entrons dans une ère où le matériel de notre technologie sera aussi fluide que le logiciel. Imaginez un processeur qui modifie ses propriétés physiques en fonction de la tâche qu'il exécute. Besoin de traiter des données ? Le matériau bascule dans un état de Floquet à haute stabilité. Besoin de transmettre des données ? Il vacille pour devenir un liquide de spin quantique avec de la lumière émergente. La matière elle-même devient la machine. Cela ressemble à de la magie, mais comme le montrent les résultats en laboratoire, ce n'est que de la physique avec un meilleur rythme.

La quête de ces états exotiques ne vise pas à prouver une théorie. Il s'agit de survie à l'ère des données. Alors que notre demande en puissance de calcul atteint les limites physiques du silicium et du cuivre, nous n'avons d'autre choix que de commencer à enfreindre les règles. Nous invoquons une matière qui ne devrait pas exister parce que la matière qui existe ne peut plus nous suivre. Les fantômes dans la machine sont enfin mis au travail.