Google Quantum AI révèle que les états liés des photons restent forts même au milieu du chaos

Photons collants

Un anneau de qubits supraconducteurs peut héberger des «états liés» de photons micro-ondes, où les photons ont tendance à s’agglutiner sur les sites qubit voisins. Crédit : Google Quantum AI

À l’aide d’un processeur quantique, les chercheurs ont rendu les photons micro-ondes inhabituellement collants. Après les avoir convaincus de s’agglutiner dans des états liés, ils ont découvert que ces amas de photons survivaient dans un régime où on s’attendait à ce qu’ils se dissolvent dans leurs états solitaires habituels. Comme la découverte a été faite pour la première fois sur un processeur quantique, elle marque le rôle croissant que ces plates-formes jouent dans l’étude de la dynamique quantique.

Les photons – des paquets quantiques de rayonnement électromagnétique comme la lumière ou les micro-ondes – n’interagissent généralement pas les uns avec les autres. Par exemple, deux faisceaux de lampe de poche croisés se traversent sans être dérangés. Cependant, les photons micro-ondes peuvent être amenés à interagir dans un réseau de qubits supraconducteurs.

Des chercheurs de Google Quantum AI décrivent comment ils ont conçu cette situation inhabituelle dans “Formation d’états liés robustes de photons en interaction”, publié le 7 décembre dans la revue La nature. Ils ont étudié un anneau de 24 qubits supraconducteurs pouvant héberger des photons micro-ondes. En appliquant des portes quantiques à des paires de qubits voisins, les photons pourraient se déplacer en sautant entre des sites voisins et en interagissant avec des photons proches.

Les interactions entre les photons ont affecté leur soi-disant « phase ». La phase garde une trace de l’oscillation de la fonction d’onde du photon. Lorsque les photons n’interagissent pas, leur accumulation de phase est plutôt inintéressante. Comme un chœur bien répété, ils sont tous synchronisés les uns avec les autres. Dans ce cas, un photon qui était initialement à côté d’un autre photon peut s’éloigner de son voisin sans se désynchroniser. Tout comme chaque personne dans le chœur contribue à la chanson, chaque chemin possible que le photon peut emprunter contribue à la fonction d’onde globale du photon. Un groupe de photons initialement regroupés sur des sites voisins évoluera vers une superposition de tous les chemins possibles que chaque photon aurait pu emprunter.

Lorsque les photons interagissent avec leurs voisins, ce n’est plus le cas. Si un photon saute loin de son voisin, son taux d’accumulation de phase change, devenant désynchronisé avec ses voisins. Tous les chemins dans lesquels les photons se séparent se chevauchent, entraînant des interférences destructrices. Ce serait comme si chaque membre de la chorale chantait à son propre rythme – la chanson elle-même était lavée, devenant impossible à discerner à travers le vacarme des chanteurs individuels. Parmi tous les chemins de configuration possibles, le seul scénario possible qui survit est la configuration dans laquelle tous les photons restent regroupés dans un état lié. C’est pourquoi l’interaction peut renforcer et conduire à la formation d’un état lié : en supprimant toutes les autres possibilités dans lesquelles les photons ne sont pas liés ensemble.

Pour montrer rigoureusement que les états liés se comportaient effectivement comme les particules, avec des quantités bien définies telles que l’énergie et l’impulsion, les chercheurs ont développé de nouvelles techniques pour mesurer comment l’énergie des particules changeait avec l’impulsion. En analysant comment les corrélations entre les photons variaient avec le temps et l’espace, ils ont pu reconstruire la soi-disant «relation de dispersion énergie-impulsion», confirmant la nature particulaire des états liés.

L’existence des états liés en soi n’était pas nouvelle — dans un régime appelé « régime intégrable », où la dynamique est beaucoup moins compliquée, les états liés étaient déjà prédits et observés il y a dix ans. Mais au-delà de l’intégrabilité, le chaos règne. Avant cette expérience, on supposait raisonnablement que les états liés s’effondreraient au milieu du chaos. Pour tester cela, les chercheurs sont allés au-delà de l’intégrabilité en ajustant la géométrie de l’anneau simple à un réseau plus complexe en forme d’engrenage de qubits connectés. Ils ont été surpris de constater que les États liés persistaient bien dans le régime chaotique.

L’équipe de Google Quantum AI ne sait toujours pas d’où ces états liés tirent leur résilience inattendue, mais cela pourrait avoir quelque chose à voir avec un phénomène appelé “préthermalisation”, où des échelles d’énergie incompatibles dans le système peuvent empêcher un système d’atteindre l’équilibre thermique aussi rapidement. comme il le ferait autrement.

Les chercheurs prévoient que l’étude de ce système fournira de nouvelles informations sur la dynamique quantique à plusieurs corps et inspirera des découvertes plus fondamentales en physique à l’aide de processeurs quantiques.

Référence : “Formation d’états liés robustes de photons micro-ondes en interaction” par A. Morvan, TI Andersen, X. Mi, C. Neill, A. Petukhov, K. Kechedzhi, DA Abanin, A. Michailidis, R. Acharya, F. (2013). Arute, K. Arya, A. Asfaw, J. Atalaya, JC, Bardin, J. Basso, A. Bengtsson, G. Bortoli, A. Bourassa, J. Bovaird, L. Brill, M. Broughton, BB Buckley, DA , Buell, Burger T, Burkett B, Bushnell N, Chen Z, Chiaro B, Collins R, Conner P, Courtney W, Crook AL, Curtin BB, Debroy DM, Del Bullbeard A, S. Demura, A. Dunsworth, D. Eppens, C. Erickson, L. Faoro, E. Farhi, R. Fatemi, L. Flores Burgos, E. Forati, AG Fowler, B. Foxen, W. Giang, C. Gidney , Gilboa D , Giustina M , Grajales Dau JA, Gross JA, Habegger S, Hamilton MC, Harrigan MP, Harrington MP, Hoffmann SD, ​​Hoffmann M, Huang T, Huff A, Huggins WJ, SV Isakov, J. Iveland, E. Jeffrey, Z. Jiang, C . Jones, P. Juhas, D. Kafri, T. Khattar, M. Khezri, M. Kieferová, S. Kim, AY Kitaev, PV Klimov, AR Klots , Korotkov AN , Kostritsa F , Kreikebaum JM , Lan D dhuis, P Laptev, K.-M. Lau , L Laws , J Lee , KW Lee , BJ Lester , AT Lill , W Liu , A Locharla , F Malone , O Martin , JR McClean , M McEwen , B Meurer Costa , KC Miao , MY Mohseni , S Montazeri , E Mount , W Mruczkiewicz , O Naaman , M Neeley , A Nersisyan , M Newman , A Nguyen , Nguyen M , MY Niu , TE O’Brien , R . Olenewa, A Opremcak, R Potter, C Quintana, NC Rubin, N Saei, Sank D, Sankaragomathi K, Satzinger KJ, Schurkus HF, Schuster C, Shearn MJ, Shorter A, Shvarts V, J Skruzny, WC Smith, D Strain, G Sterling , Y Su , M Szalay , A Torres , G Vidal , B Villalonga , C Vollgraff-Heidweiller , T White , C Xing , Z . Yao, P. Yeh, J. Yoo, A. Zalcman, Y. Zhang, N. Zhu, H. NVEN, D. Bacon, Jilton, E. Lucero, R. Babash, S. Boixo, A. Megrant, J. Kelly , Y. Chen , V. Smelyanskiy , I. Aleiner , LB Ioffe et P. Roushan , 7 décembre 2022, La nature.
DOI : 10.1038/s41586-022-05348-y

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