Dans une casserole de soupe, chaque grain est un minuscule aimant qui veut s'orienter à l'opposé de son voisin. Chauffez la soupe, et les petits aimants se mettent à s'agiter, obéissant à la chaleur. Mais comment savoir à quel point ils sont turbulents à chaque température ? Pour un matériau ordinaire, on le calcule sur des ordinateurs puissants en énumérant les possibilités. Cependant, dans certains matériaux magnétiques, en particulier sur des réseaux triangulaires comme le motif kagomé (un panier tressé), les aimants se gênent tellement les uns les autres que l'énumération informatique donne des probabilités négatives absurdes — c'est ce qu'on appelle le problème du signe.
Les physiciens d'IBM ont contourné cet obstacle grâce à un ordinateur quantique. Ils ont pris 79 vrais spins (des aimants quantiques) et les ont connectés à 60 qubits réfrigérateurs supplémentaires. Toute cette construction fonctionnait comme un thermostat intelligent : les qubits réfrigérateurs refroidissaient ou chauffaient constamment le système jusqu'à ce qu'il atteigne l'équilibre — cet état chaud précis qu'ils voulaient étudier. L'expérience a duré plus d'un millier de couches d'opérations quantiques, et le système ne s'est pas égaré, mais a maintenu fermement la température fixée.
Le résultat le plus surprenant est que la profondeur du circuit, c'est-à-dire le nombre d'opérations pour atteindre l'équilibre, n'augmentait pas avec la taille du système. En d'autres termes, que vous chauffiez un cristal microscopique ou une barre magnétique entière, le thermostat quantique nécessite à peu près le même nombre d'étapes. En revanche, plus la température souhaitée est basse, plus il faut d'étapes : refroidir prend toujours plus de temps que chauffer. Dans le monde classique, on échoue souvent face à de telles tâches — l'approche quantique contourne le problème du signe en utilisant non pas l'énumération, mais l'évolution naturelle du système quantique.
Ainsi, l'ordinateur quantique se transforme d'une machine à calculer en une sorte de four intelligent, où l'on peut préparer et étudier des matériaux magnétiques qui restaient auparavant une énigme. Et cela ouvre la possibilité de comprendre la supraconductivité à haute température ou de créer de nouveaux aimants quantiques fonctionnant à température ambiante.
Le mot « kagomé » vient du tressage de paniers japonais : le motif de triangles entrelacés rappelle la grille traditionnelle utilisée pour les objets en bambou.
Dans le roman de Greg Egan, « L'Échelle de Schild », les états quantiques de la matière sont utilisés pour créer des matériaux aux propriétés inimaginables — un peu comme dans cette expérience, mais à l'échelle de tout un univers.