Realization of decoherence-induced averaged symmetry-protected topological phases on quantum processors

Dans le monde quantique, la matière peut s'organiser en des formes qui ne sont pas définies par l'arrangement des atomes, mais par les connexions invisibles et entremêlées entre eux. On appelle cela des phases topologiques, et elles sont remarquablement robustes ; vous pouvez étirer, tordre ou secouer le matériau, et sa nature fondamentale reste inchangée. Pendant des décennies, les scientifiques ont étudié ces formes dans des systèmes parfaits et isolés où l'état quantique est pur et sans tache. Dans ces cadres idéaux, la stabilité de la forme repose sur une règle stricte : une symétrie. Considérez cette symétrie comme une loi que le système doit obéir à chaque instant, garantissant que les bords du matériau se comportent d'une manière spécifique et protégée. Cependant, le monde réel est rarement parfait. Les systèmes quantiques sont constamment bombardés par leur environnement, ce qui conduit à une perte d'information connue sous le nom de décohérence. Ce bruit transforme un état quantique pur et net en un mélange désordonné de possibilités. Pendant longtemps, les physiciens ont cru que ce désordre détruirait les formes topologiques délicates, effaçant les symétries mêmes qui les maintenaient ensemble. L'idée prédominante était qu'une fois qu'un système devenait un ensemble mixte et bruyant, ses propriétés topologiques spéciales disparaîtraient, ne laissant derrière elles qu'un état trivial et sans intérêt.

Une équipe de chercheurs a maintenant remis en question cette supposition en démontrant que le bruit, lorsqu'il est soigneusement contrôlé, peut en réalité créer un nouveau type d'ordre topologique. En travaillant avec des processeurs quantiques programmables, ils ont montré que même lorsqu'un système est soumis à la décohérence, une forme de symétrie peut survivre, non pas dans chaque instance individuelle, mais en moyenne. Ils ont commencé avec une chaîne unidimensionnelle de bits quantiques, disposés selon un motif spécifique connu sous le nom d'état de cluster, célèbre pour ses bords protégés. Ils ont ensuite introduit un type spécifique de bruit : un retournement aléatoire de l'état quantique sur chaque liaison alternée de la chaîne. Dans n'importe quel essai unique de l'expérience, ce bruit a brouillé le système, détruisant la symétrie stricte qui protège habituellement la forme. Cependant, lorsque les chercheurs ont examiné les résultats de milliers de ces essais combinés, un motif surprenant est apparu. La symétrie n'avait pas disparu ; elle avait simplement changé de nature. Au lieu d'être une loi rigide appliquée à chaque instant, elle était devenue une loi moyenne qui ne tenait vrai que lorsque les différents résultats bruyants étaient mélangés. Ce nouvel état, que les chercheurs appellent une phase topologique protégée par une symétrie moyenne, a prouvé que la structure topologique était toujours présente, encodée dans le mélange statistique du système, même si elle était invisible si l'on observait un cliché bruyant unique.

Pour prouver cela, l'équipe a dû inventer une nouvelle façon d'analyser les données. Les mesures standards, qui observent le système une seule fois et enregistrent le résultat, ont échoué car le bruit provoquait l'annulation des signaux. C'était comme essayer d'entendre une mélodie en écoutant mille personnes différentes chanter la même chose avec des rythmes et des hauteurs légèrement différents ; le son ne serait qu'un bourdonnement confus. Pour percer cette confusion, les chercheurs ont utilisé une technique impliquant la préparation simultanée de deux copies identiques du système bruyant. En comparant ces deux copies d'une manière spécifique, ils pouvaient filtrer le bruit aléatoire et révéler la structure sous-jacente qui était cachée dans la moyenne. Ils ont mesuré une propriété appelée corrélation de chaîne, qui agit comme un long fil reliant les extrémités de la chaîne. Dans une copie unique, ce fil semblait se briser et s'estomper à mesure que le bruit augmentait. Mais lorsqu'ils ont utilisé la méthode des deux copies, le fil est resté fort et intact, prouvant que l'ordre topologique avait survécu au bruit. Il s'agissait d'une observation directe d'un nouveau type de matière quantique qui n'existe que dans le domaine des états mixtes, où l'ordre est défini par le comportement collectif de nombreuses possibilités plutôt que par une réalité unique et parfaite.

Les chercheurs ont également examiné la structure de l'énergie interne du système pour voir comment le bruit remodelait le paysage quantique. Ils ont découvert que, bien que le bruit ait modifié la distribution des niveaux d'énergie, il n'a pas détruit l'appariement caractéristique des états qui signale la présence de bords protégés. Dans un système parfait, ces états de bord viennent par paires, une signature de la protection topologique. Lorsque le bruit a été introduit, le système n'a pas perdu cet appariement ; au lieu de cela, le bruit a simplement déplacé le poids du système vers différents secteurs, créant un motif plus complexe où la structure appariée restait visible au sein de chaque section. Cela a confirmé que la protection topologique était assez robuste pour résister à la décohérence orchestrée. L'expérience a été menée sur un matériel quantique avec des chaînes allant jusqu'à quarante bits quantiques, et les résultats correspondaient aux prédictions théoriques avec une grande précision. L'équipe a démontré qu'en concevant soigneusement le bruit, ils pouvaient transformer un système passant d'une symétrie stricte et forte à une symétrie moyenne plus faible, sans perdre l'ordre topologique qui rend le système spécial.

Ce travail ouvre une nouvelle porte pour comprendre comment la matière quantique se comporte dans le monde réel et bruyant. Il suggère que nous n'avons pas besoin d'éliminer tout le bruit pour préserver les propriétés quantiques ; au contraire, nous pourrions être capables d'utiliser le bruit comme une ressource. En concevant des systèmes où l'ordre topologique est protégé par des symétries moyennes, nous pourrions créer des matériaux quantiques plus résilients qui ne nécessitent pas les conditions impossibles d'une isolation parfaite. L'étude offre une voie claire pour utiliser les processeurs quantiques actuels afin d'explorer ces phases d'états mixtes, montrant que la nature désordonnée et décohérente du monde réel ne signifie pas nécessairement la fin de l'ordre quantique. Au lieu de cela, elle révèle un paysage plus riche où l'ordre peut émerger de la moyenne de nombreuses trajectoires chaotiques, offrant une nouvelle perspective sur la façon de construire et de protéger les technologies quantiques du futur.