Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

Depuis près d'un siècle, les scientifiques utilisent un test simple pour comprendre comment les matériaux se souviennent de leur passé. En appliquant un champ magnétique à un morceau de fer, puis en l'inversant lentement, ils observent un retard : le matériau ne change pas immédiatement de direction magnétique lorsque la force externe change. Au lieu de cela, il résiste, conservant son orientation d'origine jusqu'à ce que la force opposée devienne assez forte pour briser son emprise. Ce phénomène, connu sous le nom d'hystérésis, est la raison pour laquelle les aimants peuvent stocker des données et pourquoi certains matériaux agissent comme des dispositurs de mémoire. Dans le monde classique de la physique quotidienne, ce comportement est bien compris et repose sur l'existence de régions magnétiques stables qui résistent au changement. Cependant, une règle fondamentale de la physique classique stipule que dans une ligne unidimensionnelle d'atomes magnétiques, une telle résistance devrait être impossible. Sans la dimension supplémentaire pour créer des structures complexes et stables, ces lignes devraient basculer instantanément et parfaitement avec le champ appliqué, ne présentant aucune mémoire du tout.

Cela crée une situation déroutante pour la physique moderne. Des chercheurs ont récemment commencé à utiliser de puissants ordinateurs quantiques, spécifiquement des dispositifs conçus pour résoudre des problèmes d'optimisation complexes, pour simuler des matériaux magnétiques. Ces machines fonctionnent à des températures proches du zéro absolu et utilisent les règles étranges de la mécanique quantique, où les particules peuvent exister dans plusieurs états à la fois et traverser des barrières par effet tunnel. Comme ces systèmes quantiques sont conçus pour échapper aux états bloqués et trouver la meilleure solution rapidement, on s'attendait à ce qu'ils éliminent les effets de mémoire mêmes qui causent l'hystérésis. Pourtant, lorsque les scientifiques ont mené des expériences sur ces machines, ils ont constaté le contraire. Même dans des lignes unidimensionnelles de milliers de bits quantiques, le système refusait de basculer instantanément. Il affichait une résistance obstinée, une mémoire claire de son état précédent, et un retard qui défiait les attentes classiques. Cette découverte suggère que la mécanique quantique, plutôt que d'effacer la mémoire, peut créer de nouveaux types de mémoire.

Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos a entrepris de comprendre ce comportement surprenant. Ils ont utilisé trois générations différentes de recuiseurs quantiques (quantum annealers) de D-Wave, qui sont des ordinateurs spécialisés contenant des milliers de qubits supraconducteurs. Les chercheurs ont programmé ces machines pour agir comme de longs anneaux de spins magnétiques, certains contenant autant que 4 906 unités individuelles. Ils ont ensuite appliqué un champ magnétique qui changeait de direction lentement, imitant le test classique d'hystérésis. Les résultats ont été frappants. Même dans les anneaux unidimensionnels, là où la physique classique prédit l'absence de résistance, le système quantique a montré une « coercivité » distincte, une mesure de la difficulté à faire basculer le magnétisme. Le système ne s'est pas contenté de basculer ; il a hésité, créant une boucle dans les données qui prouvait qu'il se souvenait de son orientation passée. Cette mémoire persistait même dans des régimes où la théorie classique dit qu'elle devrait être interdite.

Pour expliquer comment cela se produit, l'équipe a développé un nouveau cadre théorique qui combine deux manières différentes d'aborder le problème. Ils ont réalisé que le système se comporte comme un hybride entre une machine quantique et une machine classique. Du côté quantique, le système subit des sauts rapides et discrets entre les états d'énergie, semblables à une particule traversant un mur par effet tunnel. Du côté classique, une fois que ces sauts se produisent, le système se comporte comme une collection de frontières mobiles, ou « parois de domaines », qui séparent des régions d'alignement magnétique différent. Les chercheurs ont découvert que l'effet de mémoire provient de l'interaction entre ces deux processus. Les sauts quantiques créent des états excités qui ne sont pas la configuration d'énergie la plus basse, et le mouvement des parois de domaines détermine la rapidité avec laquelle le système peut revenir à un état stable. Parce que le système reste piégé dans ces états excités pendant un certain temps, il ne peut pas basculer instantanément, créant le retard observé.

L'étude a confirmé que ce comportement n'est pas seulement un bug du matériel mais un phénomène physique réel. Les chercheurs ont observé des signatures spécifiques que seul un système quantique pourrait produire, telles qu'une réponse négative temporaire au champ magnétique et des inversions non monotones, où le magnétisme bascule d'avant en arrière selon un motif complexe avant de se stabiliser. Ces caractéristiques ont été reproduites dans leurs simulations informatiques, qui utilisent une méthode alternant entre le calcul des transitions quantiques exactes et la modélisation du mouvement des frontières magnétiques. Les simulations correspondaient presque parfaitement aux données expérimentales des recuiseurs quantiques, capturant la forme des boucles d'hystérésis et la manière dont l'effet de mémoire changeait en fonction de la vitesse de balayage du champ.

L'une des découvertes les plus significatives est que cette mémoire quantique est distincte de la mémoire thermique observée dans les matériaux ordinaires. Dans un aimant standard, la chaleur aide le matériau à basculer. Dans ces expériences quantiques, la mémoire persiste même lorsque le système est assez froid pour que les fluctuations thermiques soient négligeables. Au lieu de cela, la mémoire est pilotée par la compétition entre la vitesse à laquelle le champ magnétique est modifié et les écarts d'énergie naturels entre les états quantiques. Si le champ est modifié trop rapidement, le système ne peut pas suivre et reste bloqué dans un état de haute énergie. S'il est modifié lentement, le système a le temps de se relaxer. Les chercheurs ont découvert qu'en ajustant la force des forces quantiques et la vitesse du balayage, ils pouvaient contrôler la taille de l'effet de mémoire, réduisant ou agrandissant la boucle d'hystérésis à volonté.

L'équipe a également exploré comment la taille du système affecte ce comportement. Ils ont testé des anneaux allant de seulement quatre qubits à près de cinq mille. Dans les plus petits systèmes, les effets quantiques étaient les plus prononcés, mais l'effet de mémoire restait robuste même dans les plus grands anneaux. Cela suggère que le phénomène n'est pas une anomalie à petite échelle mais une propriété fondamentale de la façon dont les systèmes quantiques évoluent lorsqu'ils sont poussés hors de l'équilibre. Les chercheurs ont noté qu'en grilles bidimensionnelles, le comportement était différent, avec un ordre magnétique plus fort et des champs plus importants requis pour faire basculer les spins, ce qui est cohérent avec ce que l'on sait des aimants classiques. Cependant, les anneaux unidimensionnels restaient les plus surprenants, car ils présentaient un niveau de résistance qui, selon la physique classique, ne devrait pas exister.

Ce travail établit les recuiseurs quantiques comme des outils puissants pour étudier la dynamique hors équilibre, un domaine qui traite de la façon dont les systèmes se comportent lorsqu'ils sont poussés et tirés plutôt que lorsqu'ils sont dans un état calme. En démontrant que ces machines peuvent présenter une mémoire programmable, les chercheurs ont ouvert une nouvelle voie pour explorer comment les systèmes quantiques traitent l'information et conservent l'histoire. La capacité d'observer et de contrôler ces effets dans un dispositif programmable signifie que les scientifiques peuvent désormais tester des théories sur la mémoire quantique et les transitions de phase d'une manière qui était auparavant impossible. L'étude ne prétend pas avoir résolu tous les mystères du magnétisme quantique, mais elle fournit une image claire et expérimentalement vérifiée de la façon dont la mémoire peut émerger de la danse chaotique des transitions quantiques et du mouvement des parois de domaines.

Les implications de ces découvertes s'étendent au-delà des machines spécifiques utilisées dans l'expérience. Le modèle hybride développé par les chercheurs, qui mélange des calculs quantiques avec des descriptions classiques de frontières mobiles, offre une nouvelle façon de simuler des matériaux magnétiques complexes. Cette approche pourrait aider les scientifiques à concevoir de meilleurs dispositifs de stockage magnétique ou à comprendre le comportement de matériaux exotiques qui ne rentrent pas dans les catégories standards. Plus important encore, cela souligne que les ordinateurs quantiques ne sont pas seulement des calculateurs plus rapides ; ils sont des laboratoires uniques où les lois fondamentales de la physique peuvent être testées et manipulées. L'observation de l'hystérésis dans un système quantique unidimensionnel sert de rappel que la nature recèle souvent des surprises qui défient nos hypothèses les plus basiques, et que la frontière entre les mondes quantique et classique est bien plus poreuse que ce que l'on pensait auparavant.

Les chercheurs ont conclu que la mémoire observée dans ces expériences est un véritable effet quantique, résultant de la manière spécifique dont le système effectue ses transitions entre les états et se relaxe. Ils ont écarté la possibilité que les résultats soient simplement dus à la chaleur ou au bruit classique, car le comportement persistait dans des conditions où ces facteurs devraient être négligeables. Au lieu de cela, la mémoire est le résultat direct de l'incapacité du système à s'adapter instantanément au champ magnétique changeant, un retard créé par le temps fini nécessaire pour que les transitions quantiques se produisent et pour que les domaines magnétiques résultants se réorganisent. Ce travail fournit un exemple concret de la façon dont la mécanique quantique peut donner naissance à des comportements collectifs qui imitent, et dans certains cas dépassent, les capacités des matériaux classiques. Cela suggère qu'en comprenant et en exploitant ces effets de mémoire quantique, nous pourrions développer de nouveaux types de technologies de calcul et de détection qui opèrent sur des principes que nous commençons à peine à comprendre.