Explorer la topologie non triviale à la criticalité quantique sur un processeur supraconducteur

Pourquoi les fluctuations quantiques comptent pour la technologie de demain

Des matériaux de tous les jours, comme les aimants et les supraconducteurs, doivent leurs comportements étranges à d'innombrables particules quantiques minuscules agissant ensemble. Les physiciens ont longtemps utilisé ce comportement collectif pour classer différentes « phases » de la matière, comme les solides et les liquides, ou des états plus exotiques qui ne conduisent l'électricité que sur leurs bords. Cet article explore un type particulièrement subtil de phase quantique qui se situe précisément au point critique entre deux formes d'ordre. En utilisant un grand processeur quantique supraconducteur, les chercheurs montrent que même à ce point d'équilibre délicat, des schémas d'organisation cachés subsistent et pourraient être exploités comme ressource pour les technologies quantiques.

Un nouvel ordre au point d'équilibre

Traditionnellement, les phases de la matière se distinguent par la rupture d'une certaine symétrie du système — par exemple lorsqu'un aimant choisit une direction privilégiée. Plus récemment, les scientifiques ont découvert des phases « topologiques », où l'information cruciale n'est pas stockée dans un motif local mais dans des caractéristiques globales de l'état quantique et de son intrication. On considère généralement que ces phases reposent sur une fenêtre d'énergie (un gap) qui les protège des perturbations. Le travail décrit dans cet article remet en question cette intuition en se concentrant sur un modèle qui est sans gap en un point critique quantique particulier, où le système est à la frontière entre une phase ordinaire à ordre magnétique et une phase topologique. La théorie prédit que, malgré l'absence de gap, ce point critique conserve des caractéristiques de bord robustes qui le distinguent d'un système critique plus conventionnel.

Construire un anneau quantique de 100 qubits

Pour sonder ces effets délicats, l'équipe utilise un processeur supraconducteur à modules superposés (flip-chip) contenant 125 qubits, dont 100 sont configurés en un anneau unidimensionnel. Chaque qubit peut être contrôlé et lu individuellement, tandis que des couples adjacents sont reliés par des coupleurs réglables qui réalisent des portes d'enchevêtrement précises. Plutôt que d'ingénier directement les interactions many-body complètes du modèle cible, les chercheurs adoptent une stratégie variationnelle : ils conçoivent une séquence compacte de portes quantiques dont les angles de rotation ajustables sont optimisés sur un ordinateur classique pour de petits systèmes. Tirant parti de la structure uniforme du modèle, ils extrapolent ensuite cette recette à des anneaux beaucoup plus grands, préparant des états quantiques de basse énergie qui approchent étroitement l'état fondamental et le premier état excité au point critique sans avoir à régler finement un circuit de 100 qubits sur l'appareil lui-même.

Lire des motifs d'intrication cachés

Bien que ces états préparés soient très faibles en énergie, ils n'exhibent pas parfaitement toutes les caractéristiques longue-portée subtiles d'un système infini idéal. Pour révéler la structure sous-jacente, les auteurs recourent à une technique appelée tomographie de l'hamiltonien d'intrication. Ils mesurent à plusieurs reprises différents segments de l'anneau de 100 qubits de nombreuses façons soigneusement choisies, puis utilisent une optimisation classique pour reconstruire un « hamiltonien d'intrication » effectif qui capture comment chaque segment est quantiquement lié au reste du système. À partir de cet objet reconstruit, ils peuvent calculer des empreintes standard du comportement critique, telles que la manière dont les corrélations entre spins décroissent avec la distance et comment l'entropie d'intrication d'un bloc croît avec sa taille. Les nombres extraits correspondent aux attentes théoriques pour la même classe d'universalité que le modèle d'Ising bien connu, confirmant que l'expérience a bien atteint le régime critique quantique visé.

Dégager des modes de type bord sans bords réels

Les résultats les plus frappants proviennent de l'examen du spectre d'intrication, qui offre une vue affinée de la manière dont l'information quantique dans un sous-système est organisée. La théorie prédit que, pour ce modèle critique particulier, le spectre d'intrication doit afficher une dégénérescence robuste par paires associée à des modes de bord émergents, bien que le système physique soit un anneau fermé sans frontières réelles. En utilisant leurs matrices de densité reconstruites, les chercheurs calculent ce spectre pour des segments de longueurs variées et observent la structure par paires attendue dans les niveaux les plus bas de manière systématique. À mesure que les segments grandissent, le motif se précise en une disposition en forme de tour caractéristique des théories conformes des champs, révélant une connexion profonde entre le comportement critique du volume et des caractéristiques de type frontière encodées uniquement dans l'intrication.

Ce que cela signifie pour la matière quantique et les machines quantiques

En termes simples, l'étude montre que certains types d'ordre topologique peuvent survivre précisément à l'orée d'une transition de phase, dans des systèmes dépourvus du gap d'énergie protecteur habituel. En préparant astucieusement des états accessibles de basse énergie sur un processeur quantique programmable mais bruité, puis en utilisant une reconstruction basée sur l'intrication pour « voir à travers » les imperfections expérimentales, les auteurs fournissent une preuve expérimentale que ces états critiques hébergent des modes quantiques cachés, de type bord. Cela suggère que les simulateurs quantiques futurs n'ont pas toujours besoin d'atteindre des états fondamentaux parfaits pour révéler une physique riche : des états de basse énergie choisis avec soin, combinés à des outils d'analyse intelligents, peuvent déjà encoder l'information universelle essentielle sur des phases quantiques exotiques et leurs transitions.

Citation: Tan, Z., Wang, K., Yang, S. et al. Exploring nontrivial topology at quantum criticality on a superconducting processor. Commun Phys 9, 136 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02569-9

Mots-clés: transitions de phase quantiques, ordre topologique, spectre d'intrication, qubits supraconducteurs, simulation quantique