Améliorer la simulation quantique bidimensionnelle
Notre monde, au niveau des constituants individuels de la matière, est régi par la mécanique quantique. Dans ce cadre, la physique quantique à plusieurs corps étudie les interactions des particules entre elles selon ces lois. Ces systèmes incluent, par exemple, les interactions entre les particules magnétiques dans un solide. Bien que les scientifiques connaissent les équations de base qui décrivent ces interactions, les analyser en détail est complexe et il est impossible de les simuler exactement, même sur des superordinateurs. La simulation quantique repose sur des systèmes expérimentaux bien contrôlés pour mieux comprendre ce domaine complexe de la physique. Ces simulateurs encodent l’information dans une série de systèmes quantiques appelés qubits, qui exigent un contrôle remarquable sur les atomes individuels. Le projet SPICY(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), a conçu et développé un nouveau simulateur quantique pour explorer et étudier la dynamique des problèmes à plusieurs particules. L’appareil est un simulateur quantique de 100 particules, qui permet d’étudier les interactions entre les particules en deux dimensions, plutôt qu’en une seule. «Cela ouvre la possibilité d’étudier certains phénomènes de physique quantique à plusieurs corps qui, au niveau de 100 particules, sont déjà hors de portée des méthodes numériques exactes», explique Christian Roos(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), chercheur principal à l’Institut d’optique quantique et d’information quantique de l’université d’Innsbruck(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et chercheur principal du projet SPICY.
Construire un système bidimensionnel
L’équipe avait une double motivations pour développer son système bidimensionnel: passer à un plus grand nombre de particules et fournir une géométrie bidimensionnelle des constituants. «Les théoriciens ont développé des techniques permettant de calculer les états fondamentaux de systèmes unidimensionnels comportant un très grand nombre de particules», ajoute Christian Roos. «Pour les systèmes bidimensionnels, ces méthodes ne sont pas disponibles dans la même mesure.»
Une plateforme expérimentale pour la physique à plusieurs corps
Les ions piégés sont utilisés comme plateforme expérimentale pour étudier la physique quantique à plusieurs corps. Il existe plusieurs façons de piéger les ions, en utilisant des champs électriques sous différentes configurations, qui présentent toutes des avantages et des inconvénients. La plateforme expérimentale de SPICY utilise un piège à radiofréquences, qui fait appel à des champs électriques pour confiner les ions. L’équipe a déployé un piège conçu pour piéger cristaux de Coulomb à ions planaires(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), des états inhabituels de la matière qui peuvent être traités comme un unique système mécanique quantique sous la forme d’un réseau. Ce dispositif peut être paramétré pour piéger les ions en deux dimensions, plutôt qu’en un seul fil. Le piège est une microstructure composée d’une unique pièce de silice fondue recouverte d’or, dotée de différentes électrodes pour permettre un contrôle précis du potentiel dans lequel se situent ces cristaux d’ions.
Tester le dispositif expérimental
L’étape qui a suivi sa conception a consisté à réaliser des expériences avec le nouveau dispositif. Dans un premier temps, l’équipe était préoccupée par le fait que la disposition des cristaux de fer planaires n’est pas fixe, ce qui risquait de les faire entrer en collision avec d’autres atomes et de rendre impossibles des expériences concluantes. L’équipe a trouvé des moyens de surmonter cette difficulté en affinant les paramètres de l’appareil. Une autre étape importante du projet a consisté à démontrer que les modes de mouvement collectifs peuvent être refroidis jusqu’aux états quantiques les plus bas. «Nous avons ensuite commencé à coupler les niveaux d’énergie internes des ions et à créer des interactions complexes entre les particules», explique Christian Roos.
Des états quantiques utiles pour la météorologie
Au-delà des principaux résultats, les chercheurs ont également commencé à utiliser le dispositif pour le «spin squeezing», une technique qui permet de créer des états quantiques utiles en météorologie. «Il s’agit d’une nouvelle partie des expériences de physique quantique que nous avons menées», explique Christian Roos.
Mots‑clés
SPICY, mécanique quantique, physique à plusieurs corps, expérimental, dispositif, système bidimensionnel, spin squeezing, cristaux
