Observation of disorder-free localization using a (2+1)D lattice gauge theory on a quantum processor

Dans le monde solide des matériaux usuels, l'électricité et la chaleur circulent généralement librement, comme de l'eau dans un tuyau, jusqu'à ce que quelque chose bloque leur chemin. Pendant des décennies, les physiciens ont compris que si un matériau est parfaitement propre et uniforme, l'énergie se propage de manière homogène jusqu'à ce que le système atteigne un état calme et prévisible. Cependant, si le matériau est désordonné ou irrégulier — rempli d'impuretés aléatoires — l'énergie peut rester bloquée, piégée sur place, comme si le tuyau était obstrué par des débris. Ce phénomène, connu sous le nom de localisation, est un moyen bien connu d'arrêter le flux d'énergie. Pendant longtemps, les scientifiques ont cru que si les particules d'un système interagissaient entre elles, cet effet de piégeage finirait par s'estomper, permettant à l'énergie de circuler à nouveau, peu importe le désordre du matériau. Mais des théories récentes suggéraient que même dans les systèmes en interaction, le désordre pourrait maintenir l'énergie captive pendant des temps incroyablement longs, créant un état de la matière qui refuse de se stabiliser.

Une équipe de chercheurs de Google Quantum AI et de ses collaborateurs a maintenant observé un tournant surprenant de cette idée. Ils ont découvert que l'énergie peut être piégée et ne pas se propager, même lorsque le système est parfaitement propre et ne contient aucun désordre. Cette découverte, publiée dans une étude récente, remet en question l'intuition selon laquelle la désorganisation est nécessaire pour arrêter le flux d'énergie. En utilisant un puissant ordinateur quantique, l'équipe a simulé un type spécifique de grille où les particules et les forces interagissent de manière hautement structurée. Ils ont observé ce qui se passait lorsqu'ils introduisaient une petite impulsion d'énergie au centre de cette grille. Dans un système normal et propre, cette énergie se propagerait vers l'extérieur, se diffusant à travers toute la grille jusqu'à ce qu'elle soit répartie uniformément. Au lieu de cela, ils ont découvert que dans certaines conditions, l'énergie restait bloquée exactement là où elle avait commencé, refusant de diffuser.

L'expérience s'est déroulée sur un processeur quantique supraconducteur, une machine qui utilise de minuscules circuits pour imiter le comportement des particules quantiques. Les chercheurs ont construit un modèle numérique d'un réseau, qui est essentiellement une grille de points reliés par des lignes. Sur cette grille, ils ont placé deux types de composants : des qubits de « matière », qui agissent comme les particules transportant l'énergie, et des qubits de « jauge », qui agissent comme les forces les reliant. L'équipe a préparé le système dans un état qui paraissait parfaitement uniforme et ordonné, sans variations aléatoires ni impuretés. Ils ont ensuite créé une petite perturbation au milieu de la grille, semblable au jet d'un caillou dans un étang calme. Dans un système standard et propre, les ondulations causées par ce caillou voyageraient vers l'extérieur, finissant par laver toute la surface.

Ce que les chercheurs ont observé était différent. Lorsqu'ils ont préparé le système d'une manière spécifique impliquant une superposition quantique — un état où le système existe dans de nombreuses configurations possibles simultanément — la perturbation d'énergie ne s'est pas propagée. Au lieu de cela, elle est restée localisée près du centre de la grille. L'énergie est restée piégée, et le système a conservé la mémoire de l'endroit où la perturbation avait commencé, même après de nombreux cycles d'évolution. Ce comportement, que les auteurs appellent localisation sans désordre, s'est produit à la fois dans des anneaux unidimensionnels et des grilles bidimensionnelles. La clé de ce phénomène n'était pas un manque d'ordre, mais plutôt un type spécifique d'ordre qui imite les effets du désordre. Les symétries internes du système ont créé un arrière-plan effectif qui agissait comme un paysage aléatoire, piégeant l'énergie sans qu'aucune présence réelle de hasard ne soit présente.

Pour comprendre pourquoi cela s'est produit, les chercheurs ont observé le système à travers un autre prisme. Ils ont réalisé que l'état propre et uniforme qu'ils avaient créé était en réalité une superposition de nombreuses configurations de « désordre » différentes. Dans la plupart de ces configurations cachées, le potentiel de fond paraissait désordonné et irrégulier, ce qui est connu pour piéger l'énergie. Comme le système quantique explorait toutes ces possibilités simultanément, l'énergie se trouvait piégée dans la majorité d'entre elles, menant à un effet global où l'énergie ne pouvait pas se déplacer. Cela se distingue d'un système où l'on fait simplement la moyenne de nombreuses expériences désordonnées ; ici, l'expérience unique et propre produisait naturellement l'effet de piégeage en raison de la manière dont les états quantiques étaient combinés.

L'équipe a également mesuré comment les connexions internes du système changeaient au fil du temps. Ils ont constaté que l'« entropie d'intrication » du système, une mesure de la façon dont les parties du système sont liées entre elles, augmentait beaucoup plus rapidement dans cet état piégé sans désordre que dans un système désordonné typique. Il s'agissait d'une découverte cruciale car elle montrait que l'état piégé était fondamentalement différent des états de « localisation à plusieurs corps » habituels que les scientifiques étudient depuis des années. Dans ces systèmes désordonnés traditionnels, les connexions entre les parties croissent très lentement. Dans ce nouvel état sans désordre, les connexions croissaient rapidement, suggérant un type unique de comportement quantique qui n'est ni totalement fluide, ni totalement figé au sens traditionnel.

Les chercheurs ont confirmé ces résultats en effectuant la même expérience sur une grille bidimensionnelle composée de 81 qubits. Tout comme dans l'anneau unidimensionnel, la perturbation d'énergie est restée localisée lorsqu'on préparait le système dans l'état de superposition, tandis qu'elle se propageait librement lorsqu'on le préparait dans un état unique et non superposé. Les résultats étaient cohérents dans les deux dimensions, suggérant que ce phénomène est robuste et n'est pas seulement un accident lié à une configuration spécifique. L'équipe a également comparé ses données expérimentales avec des simulations informatiques, constatant que le processeur quantique réel se comportait en étroite adéquation avec les prédictions théoriques, même lorsque le système devenait plus grand et plus complexe.

Ce travail fait plus que simplement observer un nouvel état de la matière ; il offre une nouvelle façon d'étudier le désordre lui-même. Habituellement, pour comprendre comment un système désordonné se comporte, les scientifiques doivent lancer des milliers de simulations avec différents arrangements aléatoires d'impuretés, puis en faire la moyenne. C'est une tâche coûteuse en termes de calcul et difficile. Les chercheurs ont montré qu'en utilisant une superposition quantique, ils pouvaient effectivement échantillonner toutes les configurations de désordre possibles en une seule expérience. Cette approche pourrait accélérer considérablement l'étude des matériaux complexes, permettant aux scientifiques d'explorer des événements rares et des conditions extrêmes qui sont actuellement hors de portée des ordinateurs classiques.

L'étude met en lumière un lien profond entre les symétries d'un système physique et la manière dont l'énergie circule à travers lui. Elle démontre qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un environnement désordonné et chaotique pour arrêter le flux d'énergie ; il suffit d'avoir le bon type d'ordre quantique. Cette intuition pourrait aider les physiciens à concevoir de nouveaux matériaux ou des dispositages quantiques capables de protéger l'information contre la dispersion et les fuites, une exigence critique pour la construction d'ordinateurs quantiques stables. En démontrant que la localisation peut se produire sans désordre, les chercheurs ont ouvert un nouveau chapitre dans l'étude de l'évolution des systèmes quantiques, prouvant que l'absence de chaos peut parfois créer les mêmes effets que sa présence.