Comment un état quantique intermédiaire pourrait stimuler les technologies futures

Matt Davenport

De nouveaux travaux menés par des théoriciens de l’université du Michigan décrivent un phénomène physique qui pourrait ouvrir de nouvelles portes pour des objets tels que les ordinateurs quantiques.

Kai Sun, de l’université du Michigan, est un humble professeur de physique aux objectifs ambitieux. « Je suis avant tout un théoricien qui travaille avec du papier et un crayon, et qui effectue principalement des calculs analytiques », indique t-il. « Mes centres d’intérêt sont assez vastes, mais je recherche essentiellement de nouveaux principes fondamentaux et de nouveaux phénomènes, en particulier des phénomènes et des aspects de la physique qui étaient auparavant considérés comme impossibles. »

Bien que sa dernière étude n’atteigne pas tout à fait ce seuil impossible, elle actualise néanmoins notre conception des possibilités physiques. Un comportement quantique que l’on pensait possible seulement dans certains cas peut en réalité être facilement réalisé, selon les nouveaux travaux de Sun et de ses collègues publiés dans la revue Physical Review X.

Tirer parti de ce comportement pourrait aider à manipuler la lumière et d’autres particules quantiques de manière innovante, ce qui pourrait trouver des applications dans des domaines émergents tels que l’informatique quantique.

Cette étude a été financée en partie par l’Office of Naval Research. Kai Zhang, chercheur à l’université du Michigan, et Chang Shu, étudiant diplômé, ont également contribué à ces travaux.

Restez bizarre, mécanique quantique

Alors que la physique classique, ensemble de lois naturelles régissant la plupart de ce que nous voyons et ressentons dans notre vie quotidienne, tend à être manichéenne, la mécanique quantique est réputée pour être plus floue.

Par exemple, en physique classique, les ondes et les particules sont deux choses différentes. Mais dans le domaine quantique ultra-minuscule, des éléments tels que la lumière et les électrons agissent à la fois comme des ondes et comme des particules. Dans les ordinateurs conventionnels, un bit a une valeur de zéro ou de un. Dans les ordinateurs quantiques, les bits quantiques agissent comme des combinaisons de uns et de zéros.

La nouvelle étude de Sun et de ses collègues s’inscrit dans la tendance de la physique quantique à trouver un juste milieu plus flou entre les binaires « soit l’un, soit l’autre ».

Auparavant, les scientifiques pensaient qu’il existait deux façons typiques pour une onde ou une particule énergétique (rappelons qu’elles ne sont pas exactement distinctes en mécanique quantique) d’exister à l’intérieur des matériaux. Pour visualiser ces états ou modes, imaginez que vous tenez un long élastique qui a été coupé, de sorte qu’il forme une ligne droite au lieu d’une boucle.

Si vous pincez l’élastique en deux points près du centre et que vous le tendez, puis que vous demandez à quelqu’un de le pincer comme une corde de guitare, vous obtenez l’un des états. L’énergie est contenue dans la corde qui se déplace de haut en bas entre vos doigts, formant une onde stationnaire qui ne se propage pas le long de la corde.

Cela se compare à une onde progressive, qui ressemblerait davantage à un coup de fouet donné à l’élastique pour envoyer une ondulation se propager sur toute la longueur de l’élastique.

« Si nous utilisons la terminologie quantique, l’un est confiné ou localisé. L’autre est une onde progressive », ajoute Kai Sun.

Les chercheurs savaient qu’il existait un troisième état intermédiaire, partiellement mais pas complètement localisé. Le problème, du moins le pensaient-ils, était que ces états étaient très délicats.

J’ai le pouvoir (loi)

Dans l’exemple de l’élastique représentant une onde localisée, vos doigts qui pincent agissent comme des barrières empêchant l’énergie de se propager. Dans les matériaux réels, ces barrières peuvent être représentées par des bords ou des irrégularités dans leurs structures microscopiques. Les états ou modes confinés peuvent osciller à l’intérieur de ces limites, mais leur énergie disparaît très rapidement à l’extérieur. Pour être mathématiquement précis, cette décroissance rapide est exponentielle.

Pour les ondes propagées, il n’y a pas de tels obstacles ni de décroissance rapide. Mais dans l’état intermédiaire, partiellement confiné, il y a une décroissance qui n’est pas aussi sévère qu’exponentielle. Cette décroissance est décrite mathématiquement par ce qu’on appelle une loi de puissance.

« Une loi de puissance est une décroissance beaucoup plus lente qu’exponentielle, mais beaucoup plus rapide qu’une absence de décroissance », ajoute M. Sun.

Les chercheurs ont déjà observé des situations avec des décroissances de loi de puissance dans des expériences réelles, mais ces situations étaient considérées comme difficiles à établir et à maintenir.

« C’était possible, mais cela nécessitait un certain ajustement », précise M. Sun. « Dans ce travail, ce qui est intéressant, c’est que nous avons trouvé une famille de systèmes où tous les modes sont des lois de puissance et où ils sont extrêmement robustes. Ils ne nécessitent aucun ajustement. »

L’article souligne de nouvelles considérations de conception qui pourraient rendre l’accès à ces états plus facile et plus fiable à l’avenir. L’une des clés de cette découverte est que, auparavant, la plupart des chercheurs s’étaient concentrés sur des problèmes unidimensionnels, comme l’élastique.

Les chercheurs ont examiné ce qui se passe dans deux dimensions ou plus et ont trouvé des cas où les décroissances de loi de puissance sont la norme près des limites ou de la « peau » des matériaux. Ils ont également découvert que le comportement de ces modes de peau était très sensible à la forme d’un matériau, en particulier à son rapport d’aspect, ce qui n’avait jamais été démontré auparavant.

Kai Sun a déclaré qu’il était passionnant à la fois de découvrir de nouvelles propriétés physiques et de commencer à imaginer des applications dans des domaines tels que l’informatique quantique. Par exemple, les bits pourraient héberger des modes confinés pour les calculs tout en permettant aux modes de loi de puissance de transmettre des informations entre eux.

« Ce travail révèle des concepts novateurs sur le plan fondamental, tout en ouvrant de nouvelles perspectives pour des applications futures », a conclu Sun.

Article : « Algebraic Non-Hermitian Skin Effect and Generalized Fermi Surface Formula in Arbitrary Dimensions » – DOI : 10.1103/cwwd-bclc