Un outil de calcul avancé pour comprendre les matériaux quantiques

Une équipe de chercheurs a mis au point un nouvel outil de calcul pour étudier le comportement des atomes dans les matériaux quantiques lorsqu’ils absorbent et émettent de la lumière. Cet outil pourrait aider à mieux comprendre et concevoir de nouveaux matériaux pour les technologies quantiques.

Des chercheurs de l’Université de Chicago, du Laboratoire national d’Argonne et de l’Université de Modène et Reggio Emilia ont développé un nouvel outil computationnel pour décrire comment les atomes à l’intérieur des matériaux quantiques se comportent lorsqu’ils absorbent et émettent de la lumière. Cet outil sera intégré au package logiciel open-source WEST, développé par une équipe dirigée par le professeur Marco Govoni.

« Ce que nous avons fait, c’est élargir la capacité des scientifiques à étudier ces matériaux pour les technologies quantiques », a précisé Giulia Galli, professeur de génie moléculaire et auteur principal de l’article, publié dans le Journal of Chemical Theory and Computation.

Les blocs de construction de l’information quantique

Les unités fondamentales de l’information sous-jacentes aux nouvelles technologies quantiques puissantes sont les qubits. Contrairement aux bits utilisés dans l’informatique classique, qui n’utilisent que des 0 et des 1 pour coder les données, les qubits peuvent également exister dans des états de superposition, représentant à la fois 0 et 1 simultanément.

Des défauts minuscules à l’intérieur des matériaux – comme un atome manquant ou substitué dans le réseau structuré d’un cristal – peuvent prendre des états quantiques et être utilisés comme qubits. Ces qubits sont extrêmement sensibles aux propriétés électriques, optiques et magnétiques de leur environnement, ce qui leur donne la capacité d’être utilisés comme capteurs.

Simplifier les calculs complexes

Les équations mécaniques quantiques qui doivent être résolues pour déterminer les propriétés atomiques des matériaux sont incroyablement complexes et nécessitent une grande quantité de puissance de calcul. Dans ce nouveau travail, l’équipe de Galli a codé une nouvelle façon de résoudre ces équations plus efficacement qu’auparavant tout en prouvant qu’elles étaient toujours précises.

« Avec ces méthodes, nous pouvons étudier l’interaction de la lumière avec les matériaux dans des systèmes qui sont assez grands, ce qui signifie que ces systèmes sont plus proches des systèmes expérimentaux réellement utilisés en laboratoire », a ajouté l’étudiant diplômé Yu Jin, auteur principal de l’article.

En synthèse

Cet outil de calcul nouvellement développé pourrait aider à mieux comprendre et concevoir de nouveaux matériaux pour les technologies quantiques. Il pourrait également permettre d’étudier plus efficacement l’interaction de la lumière avec les matériaux dans des systèmes de grande taille, ce qui pourrait avoir des implications importantes pour le développement de nouvelles technologies quantiques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un qubit ?

Un qubit est l’unité fondamentale de l’information dans l’informatique quantique. Il peut exister dans des états de superposition, représentant à la fois 0 et 1 simultanément.

Qu’est-ce que l’outil computationnel développé par les chercheurs fait ?

Il permet d’étudier le comportement des atomes dans les matériaux quantiques lorsqu’ils absorbent et émettent de la lumière.

Qu’est-ce que cela signifie pour le développement des technologies quantiques ?

Cela pourrait aider à mieux comprendre et concevoir de nouveaux matériaux pour les technologies quantiques.

Qu’est-ce que le package logiciel WEST ?

WEST est un package logiciel open-source qui comprend l’outil computationnel développé par les chercheurs.

Qui a développé cet outil ?

Il a été développé par des chercheurs de l’Université de Chicago, du Laboratoire national d’Argonne et de l’Université de Modène et Reggio Emilia.

Références

Légende illustration principale : Représentation sous forme de bille et de bâton des atomes d’un cristal avec un défaut de spin au centre, et les surfaces tridimensionnelles (rouge et bleu) montrant les états excités du défaut. Crédit : Peter Allen

Article: « Excited State Properties of Point Defects in Semiconductors and Insulators Investigated with Time-Dependent Density Functional Theory » – DOI: 10.1021/acs.jctc.3c00986