La tension réside ici dans la fragilité de notre technologie actuelle. Nous tentons actuellement de construire des ordinateurs quantiques en utilisant des matériaux notoirement capricieux. Si une simple particule de chaleur s'approche d'un bit quantique, ou qubit, l'ensemble du système s'effondre. En créant ces états exotiques dépendant du temps, Powell et son étudiant chercheur Louis Buchalter ont trouvé un moyen de rendre les systèmes quantiques nettement plus stables. Il s'avère que si l'on maintient la matière dans un état de changement constant et rythmé, il devient plus difficile pour le bruit extérieur de la perturber.
L'effet stroboscopique appliqué au monde quantique
Pour comprendre ce que Powell et Buchalter ont accompli, il faut cesser de considérer la matière comme un objet solide et immuable. À l'échelle quantique, tout est vibration. Habituellement, ces vibrations s'inscrivent dans un sillon prévisible. L'ingénierie de Floquet consiste essentiellement à frapper un matériau avec une « lumière stroboscopique » d'énergie — dans ce cas, un champ magnétique changeant — pour forcer ces vibrations à adopter un nouveau motif exotique. C'est comme prendre un tas de sable et faire vibrer le sol de manière si précise que les grains de sable ne se contentent pas de rester là, mais flottent pour former une cathédrale.
L'équipe de Cal Poly a utilisé un processus qu'ils ont baptisé « Flux-Switching Floquet Engineering ». Cela ressemble à quelque chose tiré d'un reboot de science-fiction du milieu des années 90, mais les mécanismes reposent sur un principe d'organisation mathématique qui reflète les systèmes de dimension supérieure. En pilotant le système avec des changements magnétiques temporisés, ils ont débloqué des phases quantiques « topologiquement protégées ». En langage courant, cela signifie que l'état de la matière est verrouillé par sa propre géométrie. Il est difficile de le briser car la forme même de son existence l'empêche de se désagréger.
C'est une avancée majeure pour l'avenir de l'informatique. L'un des plus grands obstacles à un ordinateur quantique fonctionnel est le « bruit », cette interférence environnementale qui provoque des erreurs. Si nous parvenons à construire des qubits à partir de ces états exotiques pilotés, nous ne nous contentons pas de les rendre plus rapides ; nous les rendons robustes. Nous passons de la construction d'ordinateurs en verre à celle d'ordinateurs en acier renforcé. Mais le compromis réside dans l'énergie. Vous devez maintenir le système « piloté » pour que la matière continue d'exister. Dès que vous arrêtez le scintillement, le tour de magie prend fin et la matière s'évanouit pour redevenir son entité statique et ennuyeuse.
Pourquoi ce cristal contient-il des photons fantômes ?
Le terme « liquide de spin quantique » est quelque peu impropre. Il ne s'agit pas de liquide au sens propre. Le terme « liquide » fait référence aux moments magnétiques — les spins — des atomes à l'intérieur du cristal. Dans un aimant classique, comme celui de votre réfrigérateur, ces spins pointent tous dans la même direction ou suivent un motif ordonné. Dans un liquide de spin quantique, les spins sont dans un état de désordre total et frénétique, même au zéro absolu. Ils sont « frustrés », ce qui signifie qu'ils ne peuvent jamais trouver une position stable confortable. Parce qu'ils sont constamment en mouvement et enchevêtrés, ils créent des particules « fantômes » — des excitations qui se comportent exactement comme de la lumière, mais qui n'existent que dans les confins du matériau.
Peut-on réellement utiliser une matière qui refuse de suivre les règles ?
Le fil conducteur entre la matière scintillante de Cal Poly et les photons fantômes de Rice est un rejet total de la physique classique. Nous entrons dans une ère où nous ne demandons plus ce qu'un matériau *est*, mais ce qu'il peut *faire* lorsqu'il est poussé à ses limites. Cela s'étend également au graphène. Des chercheurs ont récemment observé des électrons dans le graphène s'écoulant comme un liquide presque sans friction, défiant une loi fondamentale de la physique selon laquelle les électrons devraient se déplacer comme des flippers individuels. Au lieu de cela, ils se déplacent comme du miel — si le miel pouvait circuler dans un tuyau à la vitesse de la lumière sans jamais rester bloqué.
Il y a aussi les quasi-cristaux. Pendant 40 ans, nous avons lutté pour comprendre ces matériaux qui semblent avoir un motif mais qui ne se répètent jamais réellement. Ce sont les mosaïques du monde quantique — magnifiques, complexes et apparemment impossibles. Les scientifiques de l'Université du Michigan ont finalement décodé leur processus de croissance, révélant qu'ils se situent à la frontière entre l'ordre et le chaos. À l'instar des états de Floquet, les quasi-cristaux représentent un juste milieu qui ne devrait pas exister, offrant un pont entre le monde prévisible d'un cristal de sel et le caractère aléatoire total d'un gaz.
Les implications industrielles sont stupéfiantes, mais nous devons rester réalistes. Nous n'aurons pas de smartphones propulsés par Floquet l'année prochaine. Ian Powell est le premier à admettre que la pertinence la plus directe concerne la simulation et la recherche quantiques. Le chemin d'un laboratoire de Cal Poly à une usine de fabrication à Shenzhen est long et pavé d'expériences ratées. Mais le mur conceptuel a été abattu. Nous savons désormais que si nous ne trouvons pas le matériau nécessaire pour une technologie spécifique, nous pourrions simplement le faire apparaître par vibration à l'aide de champs magnétiques.
L'avenir de la technologie n'est-il qu'une vibration bien synchronisée ?
Si vous êtes dans le bus en train de lire ceci, vous tenez probablement un appareil composé de silicium, de cuivre et de plastique — des matériaux que nous comprenons depuis plus d'un siècle. Le prochain bond en avant ne sera pas une meilleure version de ces matériaux. Ce sera quelque chose qui ressemble à de la sorcellerie. Nous nous dirigeons vers un monde où notre matériel est « piloté » par des champs dépendant du temps, où notre énergie se déplace à travers des cristaux via des particules fantômes, et où nos ordinateurs sont construits à partir d'états de la matière qui, techniquement, n'existent plus une fois l'alimentation coupée.
Il y a une certaine ironie dans le fait que plus nous en apprenons sur les composants fondamentaux de l'univers, plus nous réalisons à quel point nous en avons peu utilisé jusqu'à présent. Nous jouions du piano avec seulement trois touches. L'ingénierie de Floquet et la découverte des liquides de spin 3D sont comme si quelqu'un ouvrait enfin le couvercle pour nous montrer les 85 autres. C'est désordonné, c'est compliqué, et cela brise la plupart des règles que nous pensions immuables. Mais comme l'a noté Louis Buchalter après son passage au laboratoire, la recherche est rarement un processus linéaire. C'est une question de persévérance et de volonté de regarder un champ magnétique en se demandant ce qui se passerait si l'on actionnait l'interrupteur plus vite que quiconque ne l'aurait imaginé.
La prochaine décennie de physique ne consistera pas à découvrir de nouveaux éléments à la fin du tableau périodique. Il s'agira des états étranges, scintillants, frustrés et sans friction que nous pouvons créer dans les interstices entre ces éléments. Nous ne sommes plus de simples observateurs du monde physique. Nous en sommes les éditeurs, réécrivant le code de la matière en temps réel, une impulsion magnétique à la fois. Les lois de la physique n'ont pas changé, mais notre capacité à les contourner, elle, a certainement évolué. Et dans cet espace entre ce qui est et ce qui pourrait être, la prochaine révolution technologique est en train d'être mise en vie par la vibration.
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