Large-scale quantum simulations of dissipative spin-1/2 Heisenberg chains

Dans les recoins tranquilles de l'univers, la matière ne reste que rarement parfaitement immobile. Même lorsqu'un système semble calme, il est souvent engagé dans une lutte subtile et constante entre ses propres règles internes et l'influence chaotique de son environnement. Lorsqu'une collection de minuscules particules, comme les spins d'atomes, interagit avec un environnement bruyant, elle ne se stabilise pas simplement dans un état paisible et prévisible comme elle le ferait dans un vide parfaitement isolé. Au lieu de cela, elle peut se relaxer dans un état stationnaire unique qui n'existe qu'en raison de cette friction et de cette perte d'énergie constantes. C'est un état de « non-équilibre », un équilibre dynamique où l'ordre peut émerger du chaos de manières impossibles dans un système fermé. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de cartographier les règles régissant ces états, particulièrement pour les chaînes d'atomes magnétiques, mais les mathématiques impliquées sont si incroyablement complexes que même les superordinateurs les plus puissants ont eu du mal à trouver les réponses. Le problème est que décrire comment ces systèmes perdent de l'énergie nécessite de suivre non seulement les particules, mais aussi la probabilité de chaque arrangement possible dans lequel elles pourraient se trouver, une tâche qui devient exponentiellement difficile à mesure que le système s'agrandit.

Une équipe de chercheurs s'est maintenant tournée vers un type différent de machine pour résoudre ce casse-tête : un ordinateur quantique. Contrairement aux ordinateurs classiques qui traitent l'information de manière linéaire et étape par étape, les ordinateurs quantiques utilisent les propriétés étranges de la mécanique quantique pour simuler directement d'autres systèmes quantiques. Dans une étude récente, des scientifiques ont utilisé un processeur quantique supraconducteur pour simuler une longue chaîne de cinquante atomes magnétiques interagissant avec un environnement bruyant. Ils ont pu observer comment cette chaîne évoluait au fil du temps et finissait par se stabiliser dans un état stationnaire. En faisant tourner la simulation sur un dispositif doté de jusqu'à cent bits quantiques actifs, ils ont cartographié un paysage détaillé de la manière dont ces systèmes se comportent sous différentes conditions. Leurs travaux révèlent un monde riche et surprenant de motifs magnétiques, montrant que les états stationnaires formés par ces chaînes sont bien plus complexes et variés que ce que les théories précédentes avaient prédit.

Les chercheurs se sont concentrés sur un modèle spécifique d'atomes magnétiques disposés en ligne, où chaque atome interagit avec ses voisins et perd simultanément de l'énergie dans l'environnement environnant. Par le passé, les scientifiques s'appuyaient sur des théories simplifiées qui supposaient que chaque atome ne ressentait que l'influence moyenne de ses voisins, un peu comme une personne dans une foule qui ne réagirait qu'à l'ambiance générale plutôt qu'aux conversations individuelles. Ces modèles simplifiés prédisaient un ensemble spécifique de comportements magnétiques, incluant des motifs où tous les spins pointent dans la même direction, des motifs où ils alternent, et un état désordonné où ils pointent de manière aléatoire. Cependant, ces théories divergeaient souvent entre elles lorsqu'elles étaient appliquées à des systèmes plus larges, et personne ne pouvait affirmer avec certitude quel tableau était le bon car les calculs étaient trop lourds pour les ordinateurs traditionnels.

Pour contourner ces limitations, l'équipe a programmé un processeur quantique pour jouer la physique du système étape par étape. Ils ont simulé une chaîne de cinquante sites, ce qui nécessitait cent bits quantiques pour représenter à la fois les atomes et l'environnement avec lequel ils interagissent. La simulation s'est déroulée sur une longue durée, permettant au système d'évoluer jusqu'à atteindre une condition stable. Une idée clé de ce travail est que la nature même du système aide à protéger la simulation contre les erreurs. Parce que le système perd constamment de l'énergie vers son environnement, il oublie naturellement les erreurs qui surviennent pendant le calcul. Le bruit provenant du matériel agit comme une force faible et concurrente qui déplace légèrement l'état final, mais ne brouille pas les motifs magnétiques sous-jacents. Cette caractéristique d'autocorrection a permis aux chercheurs de faire tourner la simulation suffisamment longtemps pour observer le véritable comportement du système, même sur un matériel qui n'est pas encore parfait.

Les résultats ont brossé un portrait détaillé des phases magnétiques qui émergent dans ce système. Les chercheurs ont mesuré comment les spins à différents points le long de la chaîne étaient corrélés les uns avec les autres, recherchant des motifs spécifiques indiquant différents types d'ordre magnétique. Ils ont trouvé des preuves claires d'états ferromagnétiques, où les spins s'alignent dans la même direction, et d'états antiferromagnétiques, où ils alternent. Ils ont également observé un motif plus complexe appelé onde de densité de spin, où l'ordre magnétique change graduellement le long de la chaîne. Plus surprenant encore, ils ont découvert que l'état désordonné et aléatoire prédit par les théories plus anciennes est en fait assez limité dans ce système. Au lieu d'une large région centrale de désordre, le système a tendance à s'organiser en ces divers motifs ordonnés, l'état aléatoire n'apparaissant que dans une étroite bande où les interactions entre les atomes sont parfaitement équilibrées.

L'étude a également mis au jour un artefact subtil de la méthode de simulation elle-même. Dans les recoins de la carte où les interactions entre les atomes sont très fortes, les chercheurs ont détecté l'émergence d'un nouveau motif naissant qui ne faisait pas partie du modèle original qu'ils entendaient étudier. Ce motif est apparu de la manière dont la simulation a été décomposée en petites étapes temporelles, un compromis nécessaire en informatique quantique numérique. Plutôt que de considérer cela comme un défaut, les chercheurs ont reconnu que ces effets « induits par Trotter » ajoutaient effectivement de nouveaux types d'interactions au système. Cela suggère qu'en contrôlant soigneusement les étapes de simulation, les scientifiques pourraient être en mesure d'élaborer des phases magnétiques spécifiques qui sont difficiles à créer autrement, transformant ainsi une source potentielle d'erreur en un outil de découverte.

En collectant des données de cent dix-sept points différents à travers la plage des interactions possibles, l'équipe a construit un diagramme de phase complet qui sert de nouveau point de référence pour le domaine. Leurs conclusions tranchent largement l'incertitude de longue date sur la manière dont ces systèmes dissipatifs se comportent, montrant que la réalité est un paysage de transitions entre différents états ordonnés plutôt que des frontières nettes et distinctes. Ce travail démontre que les ordinateurs quantiques ont atteint une maturité telle qu'ils peuvent aborder des questions scientifiques auparavant hors de portée, particulièrement celles impliquant des systèmes qui interagissent constamment avec leur environnement. Il offre un aperçu d'un avenir où ces machines pourront nous aider à comprendre la nature complexe, bruyante et dynamique du monde quantique, allant au-delà des scénarios idéalisés pour explorer la réalité désordonnée de la façon dont la matière se comporte réellement.