Dynamique robuste de l’état congelé observée sur un système quantique

Dans le monde quotidien, régi par la physique classique, le concept d’équilibre règne. Si vous mettez une goutte d’encre dans l’eau, elle finira par se mélanger uniformément. Si vous posez un verre d’eau glacée sur la table de la cuisine, il finira par fondre et atteindre la température ambiante.

Ce concept enraciné dans le transport d’énergie est connu sous le nom de thermalisation, et il est facile à comprendre car nous le voyons se produire chaque jour. Mais ce n’est pas toujours ainsi que les choses se comportent aux plus petites échelles de l’univers.

Dans le domaine quantique – aux échelles atomiques et subatomiques – il peut exister un phénomène appelé localisation, dans lequel la propagation vers l’équilibre ne se produit pas, même en l’absence d’obstacle évident. Des chercheurs de l’Université Duke ont observé pour la première fois ce comportement intriguant à l’aide d’un simulateur quantique. Également appelée localisation statistique, cette recherche pourrait aider à sonder des questions sur les propriétés inhabituelles des matériaux ou la mémoire quantique.

« Dans la localisation statistique, presque tous les états sont gelés », explique Huanqian Loh, professeure adjointe en génie électrique, informatique et physique à Duke. « C’est différent de la forme habituelle de localisation, où les propriétés d’un système qui restent inchangées dans le temps sont épinglées à un site particulier. Ici, nous observons une localisation même si les propriétés conservées sont plutôt étalées. Ses implications pour stocker des informations de manière robuste dans un système quantique sont assez excitantes. »

Pour comprendre le concept de localisation que Loh et ses collègues ont observé, imaginez votre barista local créant un motif classique « tulipe » dans la mousse au sommet de votre latte. Faites tourner la tasse, et le motif finit par disparaître à mesure que la mousse se mélange au café.

Imaginez maintenant une situation similaire dans laquelle l’œuvre d’art persiste comme une image immaculée malgré le fait de tourner ou de tapoter la tasse de café. C’est la surprise essentielle derrière la localisation statistique.

« Dans cet exemple imaginaire, nous nous serions attendus à ce que les éléments se mélangent – à atteindre l’équilibre – et pourtant nous voyons toujours une localisation d’une manière ou d’une autre », souligne Loh. « C’est très, très étrange, mais cela pourrait être une caractéristique puissante de la mécanique quantique à intégrer dans les technologies quantiques. »

Une telle localisation statistique a été théorisée en 2020 pour certains systèmes quantiques. Dans ces systèmes, des sous-ensembles d’états quantiques sont connectés les uns aux autres et restent par ailleurs disjoints de tous les autres états quantiques. La réalisation expérimentale de tels systèmes fragmentés, cependant, exige un haut degré d’ingénierie quantique. Dans ce cas, Loh et son équipe se sont tournés vers une plateforme de calcul quantique à atomes neutres basée sur des atomes de rubidium.

À l’aide de lasers focalisés, les chercheurs ont étroitement contrôlé la position de chaque atome dans une chaîne unidimensionnelle. Ils ont ensuite excité les électrons des atomes avec un autre laser de sorte que les comportements des atomes se sont entremêlés. Sur la base des positions atomiques précises, des interactions et de l’évolution quantique maîtrisée lors de leur libération depuis leur état initial, les chercheurs ont pu chorégraphier une première démonstration du phénomène de localisation.

Les résultats ont montré que la plupart des configurations de bits quantiques restent effectivement gelées. Fait intéressant, les chercheurs ont obtenu un tel gel dans un simulateur quantique de théorie de jauge sur réseau – un cadre de base pour comprendre des systèmes vastes, allant des noyaux dans des environnements astrophysiques et de collisionneur à de nouveaux matériaux quantiques.

« Les théories de jauge sur réseau fournissent le langage que nous utilisons pour décrire trois des quatre forces fondamentales de la nature », indique Natalie Klco, professeure adjointe de physique à Duke. « Malheureusement, parler ce langage pour calculer les prédictions élaborées intégrées dans ces théories est extrêmement coûteux, si c’est possible, sur des ordinateurs classiques. Avec les espaces d’état fragmentés comme caractéristique clé des théories de jauge, ces expériences constituent un pas encourageant vers une application très attendue du calcul quantique pour la physique subatomique. »

Alors que les technologies quantiques évoluent de petits simulateurs utilisant seulement une poignée de qubits vers de plus grands ordinateurs quantiques exploitant des milliers d’entre eux, la capacité à conserver ou stocker des informations quantiques deviendra extrêmement importante. Exploiter les propriétés localisées d’un système quantique qui sont robustes face à des environnements imprévisibles pourrait être une voie pour atteindre cette capacité.

Article : Statistical localization of U(1) lattice gauge theory in a Rydberg simulator – Journal : Nature Physics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Duke U.