Les expériences quantiques ouvrent de nouvelles perspectives fascinantes pour la recherche scientifique, mais elles sont confrontées à un défi majeur : la fragilité des effets quantiques face aux perturbations extérieures. Des chercheurs de la TU Wien (Vienne) ont mis au point une méthode innovante pour refroidir efficacement les expériences quantiques, en divisant un condensat de Bose-Einstein en deux parties selon une dynamique temporelle spécifique.
L’avancée est cruciale pour les simulateurs quantiques, qui permettent d’étudier des phénomènes quantiques jusqu’alors inaccessibles.
Des simulateurs quantiques pour explorer de nouveaux horizons
Les simulateurs quantiques sont devenus un outil incontournable en physique quantique ces dernières années. Maximilian Prüfer, chercheur à l’Institut de physique atomique de la TU Wien, explique : « Les simulateurs quantiques sont des systèmes dont le comportement est déterminé par des effets quantiques et qui peuvent être contrôlés et observés avec une grande précision. Ils permettent d’étudier des phénomènes fondamentaux de la physique quantique qui se produisent dans d’autres systèmes quantiques, mais qui sont difficiles à étudier directement. »
Cette approche n’est pas nouvelle en physique : par exemple, on peut réaliser des expériences avec des ondes dans l’eau pour en apprendre davantage sur les ondes sonores, car les ondes dans l’eau sont plus faciles à observer. Dans le domaine de la physique quantique, les simulateurs quantiques sont devenus un outil extrêmement utile et polyvalent, notamment grâce aux nuages d’atomes ultra-froids étudiés dans le laboratoire de Maximilian Prüfer.
Refroidir efficacement pour optimiser les performances
Le facteur limitant actuel pour les simulateurs quantiques est leur température. « Plus nous refroidissons efficacement les degrés de liberté intéressants du condensat, mieux nous pouvons l’utiliser et en apprendre davantage », souligne Maximilian Prüfer.
Il existe différentes méthodes pour refroidir un gaz, comme augmenter lentement son volume. Pour les condensats de Bose-Einstein ultra-froids, d’autres techniques sont généralement utilisées, comme éliminer rapidement les atomes les plus énergétiques jusqu’à obtenir un ensemble d’atomes ayant une énergie uniformément basse, et donc une température plus froide.
L’équipe de recherche de la TU Wien a utilisé une approche totalement différente. Tiantian Zhang, première auteure de l’étude, explique : « Nous créons un condensat de Bose-Einstein, puis nous le divisons en deux parties en créant une barrière au milieu. Le nombre de particules qui se retrouvent à droite et à gauche de la barrière est indéterminé, en raison des lois de la physique quantique. »
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Contrôler les fluctuations pour refroidir efficacement
Les chercheurs ont montré que ni une division extrêmement abrupte, ni une division extrêmement lente du condensat de Bose-Einstein n’est optimale. Il faut trouver un compromis, une façon intelligemment adaptée de diviser dynamiquement le condensat, afin de contrôler au mieux les fluctuations quantiques.
Ce problème ne peut pas être résolu à l’aide d’ordinateurs conventionnels, mais grâce à des expériences, l’équipe de recherche a pu montrer que la dynamique de division appropriée permet de supprimer la fluctuation du nombre de particules, ce qui se traduit par une réduction de la température que l’on cherche à minimiser.
Maximilian Prüfer conclut : « Différentes échelles de température coexistent dans ce système, et nous en abaissons une très spécifique. Il ne faut pas imaginer un mini-réfrigérateur qui devient sensiblement plus froid dans l’ensemble. Mais ce n’est pas ce dont nous parlons : la suppression des fluctuations est exactement ce dont nous avons besoin pour pouvoir utiliser notre système comme un simulateur quantique encore mieux qu’auparavant. Nous pouvons maintenant l’utiliser pour répondre à des questions de physique quantique fondamentale qui étaient jusqu’alors inaccessibles. »
Article : « Squeezing Oscillations in a Multimode Bosonic Josephson Junction » – DOI: 10.1103/PhysRevX.14.011049
Légende illustration : Tiantian Zhang et Maximilian Prüfer discutent des mesures dans le laboratoire quantique. Crédit : TU Wien
