Mixed-state phases induced by power-law quantum channels

Dans le monde quantique, la matière se présente généralement sous deux formes : les états purs, qui sont parfaitement isolés et prévisibles, et les états mixtes, qui sont désordonnés, bruyants et en interaction constante avec leur environnement. Pendant des décennies, les physiciens ont cartographié les phases distinctes de la matière pure, découvrant que même dans un environnement chaotique, certains modèles d'ordre peuvent émerger et persister. Cependant, lorsqu'un système est ouvert sur l'environnement, les règles changent. Un nouveau type d'ordre a récemment été proposé, un ordre qui n'existe que dans ces états mixtes et désordonnés, et qui n'a aucun équivalent dans le monde propre et isolé. Ce phénomène implique un type spécifique de brisure de symétrie où un système perd une forme d'ordre forte et rigide pour ne conserver qu'une version plus faible et moyennée de celle-ci. Bien que les scientifiques aient observé ce phénomène dans des systèmes de deux dimensions ou plus, une croyance de longue date soutenait que dans une ligne unidimensionnelle, un tel transfert ne pourrait jamais se produire si le bruit était limité aux voisins proches. L'idée était que le bruit dissiperait simplement tout ordre complexe avant qu'il ne puisse s'établir.

Une équipe de chercheurs a désormais remis en question cette limitation en introduisant un nouveau type de bruit qui s'étend à travers l'ensemble du système. Au lieu de simplement chuchoter à ses voisins immédiats, le bruit de leur modèle communique avec toutes les autres parties de la ligne, bien que la force de cette conversation diminue à mesure que la distance augmente. En appliquant ce bruit à longue portée à une famille spécifique d'états quantiques, ils ont découvert que les anciennes règles ne s'appliquent plus. Ils ont découvert que, même dans une ligne unidimensionnelle, ce bruit de loi de puissance peut déclencher un changement spectaculaire d'un état de symétrie parfaite vers un état où la symétrie forte se brise, ne laissant derrière elle que la version faible. Cette transition se produit à une intensité de bruit spécifique et mesurable, prouvant que les systèmes unidimensionnels peuvent effectivement abriter cette forme exotique d'ordre mixte, à condition que le bruit soit suffisamment connecté pour couvrir la distance.

Les chercheurs ont commencé leur investigation avec une famille d'états quantiques qui peuvent être modulés de manière fluide entre deux extrêmes : un état trivial et sans intérêt, et un état plus complexe connu sous le nom de phase topologique protégée par la symétrie. Dans la version pure et sans bruit de ces états, la phase complexe est protégée par une symétrie spéciale qui garde l'information en sécurité aux bords du système. Pour voir ce qui arrive lorsque le système devient bruyant, l'équipe a appliqué un canal quantique qui simule un type spécifique de perturbation. Ce canal provoque la perte de cohérence quantique de paires de sites dans la ligne, mais avec une nuance : la probabilité que cela se produise diminue selon une loi de puissance basée sur la distance entre les sites. Si les sites sont proches, la perturbation est probable ; s'ils sont éloignés, elle est moins probable, mais elle ne disparaît jamais complètement.

Lorsqu'ils ont appliqué ce canal à longue portée à leurs états, ils ont construit une carte détaillée des phases résultantes. Ils ont constaté que pour un bruit faible, le système reste dans un état symétrique. Cependant, à mesure que l'intensité du bruit augmente, le système franchit une frontière nette pour entrer dans une nouvelle phase où la symétrie forte est spontanément brisée, ne laissant intacte que la symétrie faible. Cette transition, qu'ils appellent brisure spontanée de symétrie forte-vers-faible, était auparavant considérée comme impossible en une dimension avec un bruit à courte portée. Les chercheurs ont confirmé cette transition en mesurant des quantités spécifiques qui agissent comme des thermomètres pour l'ordre du système. Ils ont découvert que si les mesures habitales d'ordre disparaissaient, une mesure plus sophistiquée, qui observe le système dans un espace mathématique doublé, signalait clairement le changement. Ce nouvel état n'est pas seulement une version désordonnée de l'ancien ; c'est un état de la matière distinct doté de ses propres propriétés uniques.

La découverte la plus surprenante fut peut-être la nature de la phase qui existe juste avant que la symétrie ne se brise. Dans la région où le bruit est présent mais pas encore assez fort pour briser la symétrie, le système entre dans une version d'état mixte de la phase topologique. Dans les états purs, cette phase est célèbre pour stocker l'information quantique à ses bords, protégée par la symétrie du système. Dans ce nouvel état mixte, les chercheurs ont découvert que le système conserve encore deux qubits logiques d'information, bien que les signes traditionnels de cet ordre aient disparu. La méthode standard pour détecter cet ordre, qui implique l'observation d'une chaîne spécifique de corrélations, échoue complètement dans l'état mixte car le bruit détruit le signal linéaire. Cependant, en utilisant un outil de diagnostic différent qui observe la cohérence du système de manière non linéaire, l'équipe a montré que l'information est toujours présente, protégée par une symétrie subtile qui agit à la fois sur le système et sur son image miroir mathématique. Cette phase est distincte des états de décohérence précédemment étudiés car elle conserve un haut degré de pureté, signifiant que le système n'est pas aussi désordonné qu'on pourrait s'y attendre.

L'étude a également abordé un obstacle pratique majeur à l'observation de ces phénomènes : la difficulté de mesurer les états mixtes sur de réels ordinateurs quantiques. Parce que ces états sont intrinsèquement bruyants, les mesurer nécessite généralement un nombre énorme d'échantillons pour obtenir un signal clair, ce qui rend souvent les expériences impossibles sur le matériel actuel. Les chercheurs ont découvert qu'en choisissant soigneusement leurs états initiaux — spécifiquement, en les ajustant pour qu'ils soient proches d'un point spécial où le système est naturellement invariant au bruit — ils pouvaient créer des états mixtes qui restent étonnamment purs. Cette haute pureté réduit considérablement le nombre de mesures nécessaires pour détecter la transition de phase. Ils ont calculé que pour un système de dix-huit sites, sonder la transition à ce point optimal ne nécessiterait que quelques centaines de mesures, alors que sonder un point moins optimal en nécessiterait des dizaines de milliers. Cela suggère que le phénomène qu'ils ont décrit n'est pas seulement une curiosité théorique, mais quelque chose qui peut être réalisé et observé sur des dispositifs quantiques de génération proche.

Le travail de l'équipe repose sur un tour de passe-passe mathématique qui projette le problème quantique sur un modèle de mécanique statistique classique, un cadre bien compris pour étudier comment les particules interagissent. Dans cette image classique, le bruit quantique se traduit par des interactions à longue portée entre les spins, de la même manière que les aimants s'influencent à distance. Cette correspondance a permis aux chercheurs d'utiliser des simulations informatiques puissantes pour explorer le comportement du système à travers une large gamme de paramètres. Ils ont confirmé que la transition vers la phase de symétrie brisée se produit à une intensité de bruit finie pour une large gamme d'exposants de loi de puissance, tant que les interactions sont suffisamment longues. Ils ont également montré que si les interactions étaient à courte portée, la transition disparaîtrait, confirmant que la nature à longue portée du bruit est l'ingrédient clé permettant l'existence de ce nouvel état en une dimension.

En fin de compte, cette recherche ouvre une nouvelle fenêtre sur le comportement de la matière quantique dans des environnements bruyants. Elle démontre que les limitations des systèmes unidimensionnels peuvent être surmontées en introduisant des connexions à longue portée, menant à un diagramme de phase riche avec des états de la matière inédits. La découverte d'une phase topologique à état mixte qui conserve l'information quantique malgré la décohérence offre une nouvelle perspective sur la façon de protéger les données quantiques. De plus, l'identification d'un régime de paramètres où ces états restent hautement purs offre une voie claire pour que les expérimentateurs testent ces idées en laboratoire. Le travail suggère que le monde quantique, même lorsqu'il est désordonné et unidimensionnel, recèle plus de surprises et de formes d'ordre plus robustes que ce que l'on imaginait auparavant, attendant d'être déverrouillé par le bon type de bruit.