Des informaticiens prouvent que la chaleur détruit l'intrication quantique

En concevant un nouvel algorithme quantique, quatre chercheurs ont accidentellement établi une limite stricte au phénomène " effrayant ".

Il y a près d'un siècle, le physicien Erwin Schrödinger a attiré l'attention sur une particularité du monde quantique qui fascine et agace les chercheurs depuis lors. Lorsque des particules quantiques telles que les atomes interagissent, elles abandonnent leur identité individuelle au profit d'un état collectif plus grand et plus étrange que la somme de ses parties. Ce phénomène est appelé intrication.

Les chercheurs ont une bonne compréhension du fonctionnement de l’intrication dans des systèmes idéalisés contenant seulement quelques particules. Mais le monde réel est plus compliqué. Dans de grands ensembles d’atomes, comme ceux qui composent la matière que nous voyons et touchons, les lois de la physique quantique entrent en compétition avec les lois de la thermodynamique, et les choses se compliquent.

À très basse température, l'intrication peut se propager sur de longues distances, enveloppant de nombreux atomes et donnant lieu à d'étranges phénomènes tels que la supraconductivité . Mais si la température augmente, les atomes s'agitent, perturbant les liens fragiles qui unissent les particules intriquées.

Les physiciens ont longtemps lutté pour comprendre les détails de ce processus. Aujourd'hui, une équipe de quatre chercheurs a prouvé que cette intrication ne s'affaiblit pas seulement lorsque la température augmente. En fait, dans les modèles mathématiques de systèmes quantiques tels que les réseaux d'atomes dans les matériaux physiques, il existe toujours une température spécifique au-dessus de laquelle elle disparaît complètement. « Ce n'est pas seulement qu'elle est exponentiellement petite », a déclaré Ankur Moitra(ouvre un nouvel onglet)du Massachusetts Institute of Technology, l'un des auteurs du nouveau résultat. " C'est zéro. "

Les chercheurs avaient déjà observé des signes de ce comportement et l’avaient surnommé la " mort subite  d'intrication. Mais leurs preuves ont toujours été indirectes. La nouvelle découverte, au contraire, a la force d'une preuve mathématique. Elle établit l'absence d'intrication d'une manière beaucoup plus complète et rigoureuse.

Curieusement, les quatre chercheurs à l'origine de ce nouveau résultat ne sont même pas des physiciens et n'avaient pas pour objectif de prouver quoi que ce soit à propos de l'intrication. Ce sont des informaticiens qui ont découvert cette preuve par hasard en développant un nouvel algorithme.

Quelle que soit leur intention, les résultats ont enthousiasmé les chercheurs du domaine. « C'est une déclaration très, très forte », a déclaré Soonwon Choi, physicien au MIT. " J’ai été très impressionné. ".

Trouver l'équilibre

L’équipe a fait sa découverte en explorant les capacités théoriques des futurs ordinateurs quantiques – des machines qui exploiteront le comportement quantique, notamment l’intrication et la superposition, pour effectuer certains calculs bien plus rapidement que les ordinateurs conventionnels que nous connaissons aujourd’hui.

L'une des applications les plus prometteuses de l'informatique quantique est l'étude de la physique quantique elle-même. Imaginons que vous souhaitiez comprendre le comportement d'un système quantique. Les chercheurs doivent d'abord développer des procédures spécifiques, ou des algorithmes, que les ordinateurs quantiques peuvent utiliser pour répondre à vos questions.

Mais toutes les questions sur les systèmes quantiques ne sont pas faciles à résoudre à l’aide d’algorithmes quantiques. Certaines sont tout aussi faciles à résoudre pour les algorithmes classiques, qui fonctionnent sur des ordinateurs ordinaires, tandis que d’autres sont difficiles à résoudre à la fois pour les algorithmes classiques et quantiques.

Pour comprendre dans quels domaines les algorithmes quantiques et les ordinateurs qui peuvent les exécuter pourraient présenter un avantage, les chercheurs analysent souvent des modèles mathématiques appelés systèmes de spin, qui capturent le comportement de base de réseaux d’atomes en interaction. Ils peuvent alors se demander : que fera un système de spin si vous le laissez tranquille à une température donnée ? L’état dans lequel il se stabilise, appelé état d’équilibre thermique, détermine bon nombre de ses autres propriétés. Les chercheurs cherchent donc depuis longtemps à développer des algorithmes permettant de trouver des états d’équilibre.

La question de savoir si ces algorithmes bénéficient réellement de leur nature quantique dépend de la température du système de spin en question. À des températures très élevées, les algorithmes classiques connus peuvent facilement faire le travail. Le problème devient plus difficile à mesure que la température diminue et que les phénomènes quantiques s'intensifient ; dans certains systèmes, il devient trop difficile pour les ordinateurs quantiques de résoudre le problème dans un délai raisonnable. Mais les détails de tout cela restent obscurs.

Des scientifiques trouvent un moyen rapide de décrire les systèmes quantiques

" Quand allez-vous dans l'espace où vous avez besoin du quantique, et quand allez-vous dans l'espace où le quantique ne vous aide même pas ? " a déclaré Ewin Tang, chercheur à l’Université de Californie à Berkeley et l’un des auteurs des nouveaux résultats. " On ne sait pas grand-chose. "

En février, Tang et Moitra ont commencé à réfléchir au problème de l'équilibre thermique avec deux autres informaticiens du MIT : un chercheur postdoctoral nommé Ainesh Bakshi et l'étudiant diplômé de Moitra, Allen Liu. En 2023, ils ont tous collaboré sur un algorithme quantique révolutionnaire pour une tâche différente impliquant des systèmes de spin, et ils cherchaient un nouveau défi.

" Quand nous travaillons ensemble, les choses se passent naturellement ", a déclaré Bakshi. " C'est génial. "

Avant cette percée de 2023, les trois chercheurs du MIT n’avaient jamais travaillé sur les algorithmes quantiques. Ils avaient une formation en théorie de l’apprentissage, un sous-domaine de l’informatique qui se concentre sur les algorithmes d’analyse statistique. Mais comme tous les jeunes ambitieux du monde, ils considéraient leur relative naïveté comme un avantage, une façon de voir un problème avec un œil neuf. " L’une de nos forces est que nous ne connaissons pas grand-chose au quantique ", a déclaré Moitra. " Le seul quantique que nous connaissons est celui qu’Ewin nous a enseigné. "

L'équipe a décidé de se concentrer sur les températures relativement élevées, où les chercheurs soupçonnaient l'existence d'algorithmes quantiques rapides, même si personne n'avait pu le prouver. Assez rapidement, ils ont trouvé un moyen d'adapter une ancienne technique de la théorie de l'apprentissage à un nouvel algorithme rapide. Mais alors qu'ils rédigeaient leur article, une autre équipe est arrivée à un résultat similaire :une preuve qu'un algorithme prometteur développé l'année précédente fonctionnerait bien à des températures élevées. Ils avaient été récupérés.

La mort subite renaît

Un peu déçus d'être arrivés deuxièmes, Tang et ses collaborateurs ont commencé à correspondre avec Álvaro Alhambra, physicien à l'Institut de physique théorique de Madrid et l'un des auteurs de l'article concurrent. Ils voulaient déterminer les différences entre les résultats obtenus indépendamment. Mais lorsque Alhambra a lu une version préliminaire de la preuve des quatre chercheurs, il a été surpris de découvrir qu'ils avaient prouvé autre chose dans une étape intermédiaire : dans tout système de spin en équilibre thermique, l'intrication disparaît complètement au-dessus d'une certaine température. " Je leur ai dit : ¨- Oh, c'est très, très important" , a déclaré Alhambra.

 L’équipe a rapidement révisé son projet pour mettre en évidence le résultat accidentel. " Il s’avère que cela ne cadre pas avec notre algorithme ", a déclaré Moitra. " Nous obtenons plus que ce que nous avions prévu. "

Les chercheurs avaient observé cette mort soudaine de l'intrication depuis la fin des années 2000, dans des expériences et des simulations sur des ordinateurs classiques ordinaires. Mais aucun de ces travaux antérieurs n'avait permis de mesurer directement la disparition de l'intrication. Ils n'avaient également étudié le phénomène que dans des petits systèmes, qui ne sont pas les plus intéressants.

" Il se pourrait que pour des systèmes de plus en plus grands, il faille monter à des températures de plus en plus élevées pour constater l’absence d’intrication ", a déclaré Alhambra. Dans ce cas, le phénomène de mort subite pourrait se produire à des températures si élevées qu’il ne serait pas pertinent dans les matériaux réels. Au lieu de cela, Tang et ses collaborateurs ont montré que la température à laquelle l’intrication disparaît ne dépend pas du nombre total d’atomes dans le système. La seule chose qui compte, ce sont les détails des interactions entre les atomes proches.

L’approche utilisée pour leur démonstration était elle-même inhabituelle. La plupart des algorithmes de recherche d’états d’équilibre thermique s’inspirent de la façon dont les systèmes physiques réels abordent l’équilibre. Mais Tang et son équipe ont utilisé des techniques très éloignées de la théorie quantique.

" C’est ce qui est si étonnant dans ce document ", a déclaré Nikhil Srivastava, informaticien à Berkeley. " La preuve ignore en quelque sorte la physique. "

La recherche continue

La preuve apportée par les quatre chercheurs que les systèmes de spin à haute température ne présentent aucune intrication permet d'expliquer une autre caractéristique intéressante de leur nouvel algorithme : très peu de ces données sont réellement quantiques. Certes, le résultat de l'algorithme (une description complète de la manière dont les atomes d'un système de spin sont orientés en équilibre thermique) est trop difficile à stocker sur une machine classique. Mais à part la dernière étape qui génère ce résultat, chaque partie de l'algorithme est classique.

" Il s’agit essentiellement du calcul quantique le plus trivial ", a déclaré Liu.

Tang a un long historique de découverte de résultats de " déquantification " - des preuves que les algorithmes quantiques ne sont pas réellement nécessaires pour de nombreux problèmes. Elle et ses collaborateurs n’ont pas essayé de faire cela cette fois-ci, mais la preuve de l’intrication évanouissante qu’ils ont trouvée équivaut à une version encore plus extrême de la déquantification. Ce n’est pas seulement que les algorithmes quantiques n’offrent aucun avantage dans un problème spécifique impliquant des systèmes de spin à haute température - il n’y a absolument rien de quantique dans ces systèmes.

Mais cela ne signifie pas que les chercheurs en informatique quantique doivent perdre espoir. Deux études récentes  ont identifié des exemples de systèmes de spin à basse température dans lesquels les algorithmes quantiques de mesure des états d'équilibre sont plus performants que les algorithmes classiques, même s'il reste à déterminer dans quelle mesure ce comportement est répandu. Et même si Bakshi et ses collaborateurs ont obtenu un résultat négatif, la méthode peu orthodoxe qu'ils ont utilisée pour y parvenir indique que de nouvelles idées fructueuses peuvent surgir d'endroits inattendus.

" Nous pouvons être optimistes quant à la découverte de nouveaux algorithmes fous ", a déclaré Moitra. " Et ce faisant, nous pourrons découvrir de magnifiques mathématiques. "