Long-range entangled criticality from coherent errors

Dans la quête de la construction d'un ordinateur quantique, les scientifiques sont confrontés à un problème fondamental : les états quantiques délicats qui détiennent l'information sont facilement corrompus par l'environnement. Pour protéger cette information, les chercheurs utilisent des codes de correction d'erreurs, qui répartissent une seule unité de donnée sur de nombreuses particules physiques afin que, si quelques-unes sont endommagées, l'ensemble puisse encore être récupéré. Ce concept est profondément lié à l'étude de la matière elle-même. Tout comme l'eau peut exister sous forme de glace ou de vapeur, les systèmes quantiques peuvent exister sous différentes « phases ». Certaines de ces phases sont robustes et peuvent stocker l'information indéfiniment, tandis que d'autres sont fragiles et la perdent rapidement. Un moyen clé de distinguer ces phases consiste à observer comment l'information est partagée à travers le système. Dans une phase saine et protégée, l'information est stockée de manière profondément connectée sur de longues distances, une propriété connue sous le nom d'intrication à longue portée. Lorsque le bruit devient trop fort, cette connexion se brise, et le système bascule dans un état d'intrication à courte portée où l'information est perdue.

Pendant des années, les scientifiques ont compris comment les erreurs aléatoires et imprévisibles affectent ces systèmes. Ils savaient qu'il existait un seuil spécifique de bruit où le système basculerait soudainement d'une phase protégée à une phase rompue. Cependant, un autre type d'erreur, appelée erreur cohérente, est resté un mystère. Contrairement aux erreurs aléatoires qui retournent les bits comme un lancer de pièce, les erreurs cohérentes sont systématiques, comme une rotation constante et indésirable de chaque particule du système. Parce que ces erreurs sont uniformes et prévisibles, elles se comportent différemment du bruit aléatoire, et l'on ignorait si le système se briserait simplement à un seuil ou s'il entrerait dans un nouvel état de la matière étrange. Une équipe de chercheurs a désormais cartographié précisément ce qui se passe lorsqu'un ordinateur quantique subit ces erreurs cohérentes, révélant un nouvel état de la matière surprenant qui existe précisément à la limite de la défaillance.

Les chercheurs ont étudié un design spécifique appelé code de surface en nid d'abeille, qui dispose les qubits selon un motif ressemblant à un nid d'abeille. Ils ont soumis ce système à une rotation uniforme de ses particules, suivie d'un processus de mesure qui vérifie les erreurs. En simulant ce processus sur de grands systèmes, ils ont découvert que le système ne se contente pas d'échouer lorsque l'angle de rotation dépasse une certaine limite. Au lieu de cela, il subit une transition vers un régime critique. Dans ce nouvel état, le système conserve une certaine capacité à stocker l'information quantique, mais il se comporte de manière très différente de l'état propre et protégé situé sous le seuil. Les chercheurs ont constaté que, bien que le système possède toujours une intrication à longue portée, la manière dont l'information est corrélée à travers le système change radicalement. Sous le seuil, les corrélations entre les parties distantes du système s'estompent rapidement, comme un murmure s'effaçant dans une grande pièce. Mais au-dessus du seuil, ces corrélations ne s'estompent pas ; au contraire, elles persistent et croissent même lentement à mesure que le système s'agrandit, indiquant un état critique où le système est en équilibre sur le fil du rasoir entre l'ordre et le chaos.

Pour comprendre ce nouveau régime, l'équipe a développé deux principes généraux qui s'appliquent à de nombreux types de systèmes quantiques. Premièrement, ils ont prouvé que si un système préserve un type spécifique de symétrie tout en conservant une partie de son information quantique, il doit se trouver dans un état d'intrication à longue portée. Cela signifie que même si le système est bruyant, tant qu'il n'a pas complètement perdu sa mémoire quantique, l'information est toujours profondément tissée dans la trame du système. Deuxièmement, ils ont créé une méthode pour déterminer si deux états bruyants différents appartiennent à la même phase de la matière. Ils ont montré que si les corrélations entre différentes parties du système restent à courte portée, on peut transformer l'état bruyant pour le ramener à un état propre en utilisant uniquement des opérations locales. Cependant, si ces corrélations deviennent à longue portée, une telle transformation est impossible, signalant que le système est entré dans une phase fondamentalement différente.

En appliquant ces principes à leur modèle en nid d'abeille, les chercheurs ont découvert que le système franchit un seuil net à un angle de rotation d'environ 0,09 pi. Sous cet angle, le système est dans une phase topologique standard où les erreurs peuvent être corrigées localement, et le système peut être facilement restauré dans son état propre. Au-dessus de cet angle, le système entre dans le régime critique identifié. Dans ce régime, le système conserve une fraction de sa mémoire quantique, mais cette mémoire est fragile d'une nouvelle manière. Les chercheurs ont montré que cette mémoire survivante ne peut pas être récupérée par des opérations locales seules ; elle nécessite une vue globale de l'ensemble du système pour être décodée. De plus, le système perd sa capacité à se protéger contre les dommages locaux. Si une petite région du système est effacée, l'information stockée dans le reste du système ne peut pas être récupérée, contrairement à la phase propre où l'information peut être détournée autour des dommages.

L'étude a également révélé que ce régime critique est une forme unique de rupture de symétrie. Dans la phase propre, le système possède une paire de symétries qui protègent l'information. Dans le régime critique, l'une de ces symétries reste exacte, mais son partenaire devient « faible », ce qui signifie qu'elle ne protège plus l'information de manière localisée. Cela résulte en un état où le système est à intrication à longue portée mais critique, avec des corrélations qui décroissent très lentement, suivant une loi de puissance plutôt qu'une chute exponentielle. Ce comportement est distinct de la rupture habituelle d'une mémoire quantique, où l'information est totalement perdue. Au lieu de cela, le système entre dans un état où l'information est préservée mais est fondamentalement plus difficile d'accès et plus sensible à la structure globale du système.

Les chercheurs ont également connecté ces découvertes à la physique du transport dans un réseau de particules. Ils ont montré que la manière dont les corrélations se propagent dans le code quantique bruyant est mathématiquement équivalente à la façon dont l'électricité circule dans un réseau de fils. Sous le seuil, le réseau agit comme un isolant, bloquant le flux d'information. Au-dessus du seuil, le réseau devient métallique, permettant à l'information de circuler librement sur de longues distances. Cette connexion explique pourquoi le système se comporte si différemment dans le régime critique : le réseau sous-jacent est devenu conducteur, permettant aux corrélations de persister sur de longues distances. Cette intuition fournit un nouvel outil puissant pour comprendre comment l'information quantique se comporte en présence d'erreurs systématiques.

La découverte de ce régime critique étendu suggère que le paysage des phases quantiques est plus riche que ce que l'on pensait auparavant. Elle montre qu'un système quantique peut survivre au-delà du point où il ne peut plus être parfaitement corrigé, entrant dans un état où il conserve certaines propriétés quantiques mais sous une forme fondamentalement différente de l'état propre. Cela a des implications importantes pour la conception des futurs ordinateurs quantiques, car cela suggère que même si un système est soumis à des erreurs systématiques, il ne va pas simplement échouer, mais pourrait au contraire se stabiliser dans un nouvel état stable qui détient encore une information précieuse. Le travail fournit un cadre clair pour identifier et caractériser ces états, offrant une nouvelle façon de concevoir la résilience de l'information quantique face au bruit. En cartographiant les frontières entre ces phases, les chercheurs ont fourni une feuille de route pour naviguer dans le terrain complexe de la correction d'erreurs quantiques, montrant que le chemin vers un ordinateur quantique fonctionnel peut ne pas consister seulement à éviter les erreurs, mais à comprendre les nouveaux états de la matière qui émergent lorsqu'elles sont présentes.