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Des scientifiques découvrent des schémas récurrents au sein du comportement quantique chaotique

Par Ingrid Fadelli, Phys.org

Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan

Un processeur quantique utilise la rétroaction pour identifier un « îlot » stable de mouvement régulier au sein d'un paysage chaotique de dynamique quantique. Crédit : Généré par ChatGPT, OpenAI.

De nombreux systèmes quantiques complexes perdent rapidement les schémas reconnaissables de leurs états initiaux lorsque leurs composants interagissent. Pour décrire les schémas de mouvement régulier et chaotique dans des systèmes spécifiques, les physiciens peuvent construire une carte mathématique appelée espace des phases effectif.

Dans certains systèmes classiques qui suivent des lois de mouvement connues, les trajectoires ordonnées et chaotiques occupent différentes régions de l'espace des phases. Cependant, établir si un schéma comparable existe dans les systèmes quantiques à N corps (c'est-à-dire des systèmes avec de nombreux composants quantiques interagissant) s'est jusqu'à présent révélé difficile, en partie parce que les interactions dans ces systèmes peuvent produire un phénomène quantique appelé intrication.

Lorsque les parties d'un système sont intriquées, leur état quantique combiné ne peut être entièrement décrit en les traitant indépendamment.

Des chercheurs de l'Université du Zhejiang et de l'Université de Leeds ont mis au point une nouvelle approche pour rechercher des schémas d'activité récurrents dans des systèmes quantiques à N corps complexes et chaotiques. Cette approche, décrite dans un article publié dans Nature Physics, a permis d'identifier avec succès un schéma récurrent stable dans un processeur quantique à plusieurs qubits en interaction.

« Ces travaux sont le fruit de notre collaboration de longue date avec l'Université du Zhejiang sur l'utilisation de processeurs quantiques pour comprendre ce qui se produit lorsque de nombreuses particules quantiques interagissent et évoluent ensemble », a déclaré Zlatko Papić, auteur principal de l'article, à Phys.org.

« Normalement, de tels systèmes perdent rapidement la mémoire de leur état initial. Comprendre quand et comment ils résistent à ce destin est l'une des questions difficiles que nous explorons. »

La puce contenant le processeur quantique supraconducteur utilisé dans ces travaux. Crédit : Hang Dong, Université du Zhejiang.

À la recherche de mouvements réguliers dans le chaos quantique

Cette étude récente s'appuie sur des travaux antérieurs de Papić et de ses collaborateurs des universités de Zhejiang et de Leeds. Dans leurs travaux précédents, l'équipe a démontré que certains états initiaux d'un processeur supraconducteur à 30 qubits pouvaient revenir de manière répétée à une configuration reconnaissable, au lieu de se stabiliser dans le comportement désordonné typique des systèmes quantiques complexes en interaction – un comportement connu sous le nom de « cicatrices quantiques ».

« Dans notre premier article commun sur les cicatrices quantiques, publié dans Nature Physics, nous avons démontré ce phénomène inhabituel sur un processeur quantique supraconducteur : un système spécialement préparé est revenu de manière répétée à proximité de sa configuration initiale », explique Papić.

« Ces travaux nous ont amenés à nous demander si ces mouvements inhabituels pouvaient faire partie d'un paysage beaucoup plus riche, et si un processeur quantique pouvait jouer un rôle actif dans sa découverte. »

S'inspirant de leurs observations précédentes, les chercheurs ont entrepris de développer une méthode permettant de déceler des motifs de mouvement régulier au sein d'un comportement quantique par ailleurs chaotique, autrement dit, d'identifier des « îlots » de mouvement régulier dans un « océan » de comportement quantique chaotique.

Les chercheurs ont testé leur approche sur un système en échelle de 24 qubits, sélectionné parmi un processeur quantique supraconducteur contenant plus de 100 qubits. Ce processeur a fonctionné en boucle avec un ordinateur classique.

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« Nous avons préparé le système quantique, l'avons laissé évoluer brièvement, puis avons effectué des mesures », explique Papić. L'ordinateur classique utilise ensuite ces mesures pour trouver un état quantique relativement simple qui correspond étroitement au résultat. Cet état mis à jour est préparé sur le processeur et le processus se répète. Au fil des itérations, ce processus permet de cibler un mouvement qui se répète régulièrement, sans qu'il soit nécessaire de le spécifier à l'avance.

L'approche des chercheurs s'inspire d'un algorithme appelé ScarFinder, présenté dans un article précédent publié dans PRX Quantum. Cet algorithme recherche des motifs de mouvement inhabituels et récurrents, associés aux « cicatrices » quantiques à N corps dans les systèmes quantiques en interaction.

« Nos postdoctorants Jie Ren et Andrew Hallam ont joué un rôle central : leur expertise en réseaux de tenseurs, outils mathématiques permettant de décrire de manière compacte des états quantiques complexes, a été cruciale pour le développement de cette approche », explique Papić.

« Nos collaborateurs du Zhejiang, en particulier Hang Dong, ont ensuite implémenté le protocole à l'aide de 24 qubits supraconducteurs. Partant d'un motif de mouvement irrégulier, la rétroaction a permis de guider le système vers un motif répétitif. »

Un avantage clé de l'approche de l'équipe est que chaque tour qu'elle effectue nécessite o

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RESUME

Des scientifiques découvrent des schémas récurrents au sein d'un comportement quantique chaotique

Un protocole de rétroaction quantique-classique a permis d'identifier et de stabiliser un mouvement récurrent dans un système supraconducteur à 24 qubits, au milieu d'une dynamique chaotique à N corps. Les zones de mouvement régulier évoluaient en fonction des interactions entre qubits, démontrant la coexistence de l'ordre et du chaos grâce à de courtes périodes d'évolution et à des mesures sur des qubits individuels.

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COMMENTAIRES/

Je suis étonné par de tels résultats ! Trés sincerement  mes connaissances  se résument déjà au trés célébre problème   d'interaction à 3  corps

à moitié  résolu   par Henri  Poincare 

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Et en effet

non, le célèbre problème des trois corps n'est pas complètement résolu sous forme d'une formule simple et générale.

Voici l'état exact de la situation :

• Pas de solution en forme fermée : Contrairement au problème à deux corps résolu par Newton, il n'existe pas de formule mathématique simple (en forme fermée) permettant de prédire à l'avance et pour n'importe quel instant la position exacte de trois objets attirés par la gravité.

• Le chaos mathématique : À la fin du XIXe siècle, Henri Poincaré a démontré que le système est chaotique. La moindre variation infime dans les positions ou vitesses de départ change totalement les trajectoires à long terme.

• La solution théorique de Sundman : En 1912, le mathématicien Karl F. Sundman a trouvé une solution analytique sous forme de série infinie. Cependant, cette série converge tellement lentement qu'il faudrait calculer un nombre gigantesque de termes pour obtenir une précision utile — ce qui prendrait plus de temps que l'âge de l'univers. Elle est donc inutilisable en pratique.

• Des solutions particulières existent : On connaît des cas de figure particuliers où le problème est résolu (comme les points de Lagrange ou la célèbre solution en forme de « huit » découverte par Moore, Chenciner et Montgomery), mais il n'y a pas de règle générale pour tous les cas.

• L'utilisation du calcul numérique : Aujourd'hui, les scientifiques abandonnent l'idée d'une formule universelle et utilisent des ordinateurs pour simuler et approcher pas à pas les trajectoires.

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