Un laser ultra-rapide manipule 30 000 atomes pour simuler des matériaux magnétiques

Un laser ultra-rapide manipule 30 000 atomes pour simuler des matériaux magnétiques

Dans le domaine de la simulation quantique, une équipe de chercheurs japonais a réussi à simuler des matériaux magnétiques à l’aide d’un simulateur quantique ultra-rapide. Cette avancée pourrait contribuer à la conception de matériaux fonctionnels et à la résolution de problèmes sociaux.

Le système repose sur une technique innovante qui utilise un laser ultra-rapide pour manipuler des cristaux artificiels de 30 000 atomes alignés dans un réseau cubique avec un espacement de 0,5 micron.

L’équipe de recherche dirigée par le professeur Kenji Ohmori de l’Institut des Sciences Moléculaires (Japon) a appliqué leur schéma de «calculateur quantique ultra-rapide» à la simulation quantique, améliorant ainsi la vitesse de simulation de trois ordres de grandeur et résolvant le problème du bruit externe, l’une des principales préoccupations de la simulation quantique.

Les chercheurs ont réussi à simuler la dynamique de formation de «l’intrication quantique», difficile à mesurer dans les matériaux magnétiques réels, sur une échelle de temps de plusieurs centaines de picosecondes.

Implications et applications potentielles

Le simulateur quantique ultra-rapide est susceptible de contribuer à la conception de matériaux fonctionnels et à la résolution de problèmes sociaux. Les simulations quantiques de matériaux magnétiques pourraient permettre de mieux comprendre l’origine des propriétés physiques des matériaux comme le magnétisme, et fournir des orientations pour la conception de dispositifs et de matériaux fonctionnels de nouvelle génération exploitant les effets quantiques.

En outre, la compréhension de l’intrication quantique dans des systèmes à grande échelle proches du niveau pratique pourrait contribuer au développement de la technologie quantique, notamment des ordinateurs et des réseaux quantiques.

Un réseau à grande échelle de 30 000 atomes, avec un espacement de 0,5 micron, est contrôlé par un laser ultrarapide qui ne clignote que pendant 10 picosecondes. Après l’irradiation d’une impulsion laser ultrarapide, un “enchevêtrement quantique*9” à grande échelle se forme en seulement 600 picosecondes (ps). (pico = un trillionième de seconde). Crédit : INS/IMS

En synthèse

Les chercheurs ont développé un simulateur quantique ultra-rapide capable de simuler des matériaux magnétiques en manipulant des cristaux artificiels d’atomes avec un laser ultra-rapide. Cette avancée pourrait avoir des implications majeures dans la conception de matériaux fonctionnels et la résolution de problèmes sociaux.

Terminologie :

1. Simulateur quantique

Un type d’ordinateur quantique dédié à la simulation de systèmes à plusieurs corps quantiques est appelé “simulateur quantique. Les particules de la mécanique quantique, telles que les atomes, sont assemblées en un système quantique artificiel à plusieurs corps. Ce système est ensuite utilisé pour simuler et comprendre les propriétés, par exemple, d’un ensemble de nombreux électrons interagissant les uns avec les autres dans un solide, au lieu de calculer les propriétés à l’aide d’un ordinateur classique tel qu’un superordinateur.

2. Le zéro absolu

La “température absolue” est une échelle de température dans laquelle le degré zéro est défini comme la température à laquelle tous les atomes et molécules cessent de bouger. L’unité est le kelvin. Le zéro Kelvin est appelé “température du zéro absolu” et correspond à -273,15 degrés Celsius, et le zéro degré Celsius correspond à +273,15 Kelvin.

3. Treillis optique

Réseau périodique de pièges optiques qui utilisent des ondes lumineuses stationnaires créées par l’interférence de faisceaux laser opposés pour piéger des atomes à des températures ultra-basses. Dans cette étude, des faisceaux laser opposés provenant de six directions sont utilisés pour arranger 30 000 atomes dans un réseau carré tridimensionnel avec un espacement de 0,5 micron…

4. Porte à deux qubits

La porte à deux qubits est la source des hautes performances des ordinateurs quantiques. Il s’agit d’une opération logique sur l’état quantique de deux qubits, de sorte qu’ils sont intriqués.

5. Ordinateur quantique

Un ordinateur qui applique les propriétés de la superposition quantique et de l’intrication au traitement de l’information. Il effectue le traitement de l’information sur un groupe de particules quantiques, telles que des atomes, en manipulant leur état (superposition de 0 et de 1 logiques) et en effectuant des opérations logiques entre plusieurs particules. En utilisant la propriété de superposition et d’enchevêtrement des systèmes quantiques, on s’attend à ce que des calculs qui prendraient beaucoup de temps à un ordinateur ordinaire puissent être effectués beaucoup plus rapidement.

6. Capteurs quantiques

Dispositif qui mesure des quantités physiques en utilisant les propriétés mécaniques quantiques de particules microscopiques, telles que les atomes, les électrons et la lumière. On s’attend à ce qu’il permette des mesures plus sensibles que les appareils de mesure conventionnels.

7. Orbitales de Rydberg

Orbite électronique s’étendant loin du noyau atomique. La distance entre le noyau et l’orbitale de Rydberg va du nanomètre au micromètre. Les électrons se déplaçant dans les orbitales de Rydberg sont appelés électrons de Rydberg, et les atomes possédant des électrons de Rydberg sont appelés atomes de Rydberg.

8. Blocage de Rydberg

Phénomène dans lequel, lorsque les électrons de deux atomes voisins sont excités par laser dans des orbitales de Rydberg7, l’excitation simultanée est fortement supprimée et seuls les électrons de l’un des atomes sont excités dans une orbitale de Rydberg7. Ceci est dû à l’interaction à longue portée entre les atomes de Rydberg.

9. Intrication quantique

Corrélation particulière qui peut se produire entre deux systèmes quantiques lorsqu’il y a une superposition quantique. L’état d’un qubit dépend de l’état (“0” ou “1”) de l’autre qubit, et il n’est plus possible de déterminer l’état d’un seul qubit sans tenir compte des états de l’autre qubit. En 2022, le prix Nobel de physique a été attribué à trois chercheurs pour leurs travaux sur l’existence de “l’intrication quantique” à partir de photons.

10. Superposition quantique

Propriété propre à la mécanique quantique selon laquelle plusieurs états différents peuvent être pris simultanément. Dans un ordinateur classique, un bit (l’unité d’information) est soit dans l’état 0, soit dans l’état 1 à un moment donné. La situation est bien différente dans un ordinateur quantique où un objet quantique, tel qu’un atome, peut se trouver dans une superposition de deux états : l’atome étant à la fois “dans l’état 0 et dans l’état 1”. En outre, il existe de nombreuses façons de superposer deux états. En considérant un état quantique comme une onde, il devient évident que deux ondes peuvent être superposées avec leur crête alignée (“état 0 plus état 1”) ou avec la crête de l’onde 1 alignée avec le creux de l’onde 2 (“état 0 moins état 1”).

11. Nature de l’onde

Les particules microscopiques telles que les électrons et les atomes ont une nature ondulatoire qui n’est pas présente dans les particules visibles qui nous entourent, comme les ballons de football. Contrairement aux particules, les ondes peuvent se chevaucher et exister simultanément sur une vaste zone spatiale. Par conséquent, les particules microscopiques telles que les électrons et les atomes peuvent se trouver dans différents états en même temps et exister à différents endroits en même temps, ce qui est une propriété mystérieuse que l’on ne trouve pas dans les particules visibles.

12. Atome de rubidium

Atome de métal alcalin de numéro atomique 37. Il possède un électron dans la cinquième orbitale (5s) autour du noyau.

13. Refroidissement par laser

Le refroidissement par laser est une technique qui utilise la lumière laser pour retirer de l’énergie aux atomes et ainsi diminuer leur température. Lorsqu’un atome absorbe la lumière laser, il reçoit l’impulsion du photon laser et est soumis à une force dans la direction de la lumière laser. Si les atomes se déplacent dans le sens inverse du faisceau laser, la force les ralentit progressivement et diminue l’énergie des atomes. Il est ainsi possible de refroidir un atome.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’un simulateur quantique ultra-rapide ?

Un simulateur quantique ultra-rapide est un dispositif capable de simuler des matériaux magnétiques en manipulant des cristaux artificiels d’atomes avec un laser ultra-rapide. Il permet d’améliorer la vitesse de simulation de trois ordres de grandeur et de résoudre le problème du bruit externe, l’une des principales préoccupations de la simulation quantique.

2. Comment fonctionne le simulateur quantique ultra-rapide ?

Le simulateur utilise un laser ultra-rapide pour manipuler des cristaux artificiels de 30 000 atomes alignés dans un réseau cubique avec un espacement de 0,5 micron. Les chercheurs ont appliqué leur schéma de «calculateur quantique ultra-rapide» à la simulation quantique, améliorant ainsi la vitesse de simulation et résolvant le problème du bruit externe.

3. Quelles sont les implications potentielles de cette avancée ?

Le simulateur quantique ultra-rapide pourrait contribuer à la conception de matériaux fonctionnels et à la résolution de problèmes sociaux. Les simulations quantiques de matériaux magnétiques pourraient permettre de mieux comprendre l’origine des propriétés physiques des matériaux, telles que le magnétisme, et fournir des orientations pour la conception de dispositifs et de matériaux fonctionnels de nouvelle génération exploitant les effets quantiques.

4. Comment cette avancée pourrait-elle contribuer au développement ?

La compréhension de l’intrication quantique dans des systèmes à grande échelle proches du niveau pratique pourrait contribuer au développement de la technologie quantique, notamment des ordinateurs et des réseaux quantiques.

5. Quels sont les défis pour améliorer davantage le simulateur quantique ultra-rapide ?

Les défis à surmonter incluent la réduction du bruit externe, l’amélioration de la précision de la manipulation des atomes et l’augmentation de la vitesse de simulation. Les chercheurs continueront à travailler sur ces aspects pour développer un simulateur quantique encore plus performant et fiable.

Physical Review Letters : “Dynamique ultrarapide de nombreux corps à l’échelle de la picoseconde dans un isolant de Mott atomique ultrafroid excité par Rydberg” – Auteurs : V. Bharti, S. Sugawa, M. Mizoguchi, M. Kunimi, Y. Zhang, S. de Léséleuc, T. Tomita, T. Franz, M. Weidemüller, et K. Ohmori – https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.123201

[ Rédaction ]

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