Certains des sujets les plus passionnants de la physique moderne, tels que les supraconducteurs à haute température et certaines propositions d’ordinateurs quantiques, se résument aux phénomènes exotiques qui se produisent lorsque ces systèmes oscillent entre deux états quantiques.
Malheureusement, il s’est avéré difficile de comprendre ce qui se passe à ces points, connus sous le nom de points critiques quantiques. Les mathématiques sont souvent trop difficiles à résoudre et les ordinateurs actuels ne sont pas toujours en mesure de simuler ce qui se passe, en particulier dans les systèmes comportant un nombre appréciable d’atomes.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie, ainsi que leurs collègues, ont franchi une étape dans la construction d’une approche alternative, connue sous le nom de simulateur quantique.
Bien que le nouveau dispositif ne simule pour l’instant que les interactions entre deux objets quantiques, les chercheurs affirment, dans un article publié le 30 janvier dans Nature Physics, qu’il pourrait être mis à l’échelle relativement facilement. Si c’est le cas, les chercheurs pourraient l’utiliser pour simuler des systèmes plus complexes et commencer à répondre à certaines des questions les plus excitantes de la physique.
“Nous élaborons toujours des modèles mathématiques qui, nous l’espérons, captureront l’essence des phénomènes qui nous intéressent, mais même si nous pensons qu’ils sont corrects, il est souvent impossible de les résoudre en un temps raisonnable” avec les méthodes actuelles, a déclaré David Goldhaber-Gordon, professeur de physique à Stanford et chercheur à l’Institut des sciences des matériaux et de l’énergie de Stanford (SIMES). Selon lui, la voie vers un simulateur quantique “nous permet de tourner des boutons que personne n’a jamais eus auparavant”.
Des îles dans une mer d’électrons
Selon M. Goldhaber-Gordon, l’idée essentielle d’un simulateur quantique est similaire à un modèle mécanique du système solaire, dans lequel quelqu’un tourne une manivelle et des engrenages imbriqués tournent pour représenter le mouvement de la lune et des planètes. Une telle “orrerie”, découverte dans une épave datant de plus de 2000 ans, aurait permis de prédire quantitativement le moment des éclipses et la position des planètes dans le ciel.
Des machines analogues ont été utilisées jusqu’à la fin du 20e siècle pour effectuer des calculs mathématiques trop difficiles pour les ordinateurs numériques les plus avancés de l’époque.
Tout comme les concepteurs d’un modèle mécanique de système solaire, les chercheurs qui construisent des simulateurs quantiques doivent s’assurer que leurs simulateurs correspondent raisonnablement bien aux modèles mathématiques qu’ils sont censés simuler.
Pour Goldhaber-Gordon et ses collègues, un grand nombre des systèmes qui les intéressent – des systèmes avec des points critiques quantiques tels que certains supraconducteurs – peuvent être imaginés comme des atomes d’un élément disposés dans un réseau périodique intégré dans un réservoir d’électrons mobiles. Les atomes du réseau d’un tel matériau sont tous identiques et interagissent entre eux et avec la mer d’électrons qui les entoure.
Pour modéliser des matériaux de ce type à l’aide d’un simulateur quantique, ce dernier doit disposer de substituts des atomes du réseau qui sont presque identiques les uns aux autres et qui doivent interagir fortement entre eux et avec le réservoir d’électrons qui les entoure. Le système doit également être accordable d’une manière ou d’une autre, afin que les expérimentateurs puissent faire varier les différents paramètres de l’expérience pour mieux comprendre la simulation.
La plupart des propositions de simulation quantique ne répondent pas à toutes ces exigences à la fois, a déclaré Winston Pouse, étudiant diplômé du laboratoire de Goldhaber-Gordon et premier auteur de l’article de Nature Physics. “À un niveau élevé, il y a les atomes ultrafroids, où les atomes sont exactement identiques, mais il est difficile de mettre en œuvre un couplage fort avec un réservoir. Ensuite, il y a les simulateurs à base de points quantiques, où nous pouvons obtenir un couplage fort, mais où les sites ne sont pas identiques“, a déclaré M. Pouse.
M. Goldhaber-Gordon a indiqué qu’une solution possible était apparue dans les travaux du physicien français Frédéric Pierre, qui étudiait des dispositifs à l’échelle nanométrique dans lesquels un îlot de métal était situé entre des réservoirs d’électrons spécialement conçus, connus sous le nom de gaz d’électrons bidimensionnels. Des portes commandées par tension régulent le flux d’électrons entre les réservoirs et l’îlot métallique.
En étudiant les travaux de Pierre et de son laboratoire, Pouse, Goldhaber-Gordon et leurs collègues ont réalisé que ces dispositifs pouvaient répondre à leurs critères. Les îlots – qui représentent les atomes du réseau – interagissent fortement avec les gaz d’électrons qui les entourent, et si l’îlot unique de Pierre était étendu à un groupe de deux îlots ou plus, ils interagiraient également fortement entre eux. Les îlots métalliques présentent également un nombre beaucoup plus important d’états électroniques par rapport à d’autres matériaux, ce qui a pour effet d’atténuer toute différence significative entre deux blocs différents et invisibles du même métal, les rendant effectivement identiques. Enfin, le système était accordable grâce à des fils électriques qui contrôlaient les tensions.
Un simulateur simple
L’équipe s’est également rendu compte qu’en associant les îlots métalliques de Pierre, elle pouvait créer un système simple qui devrait afficher quelque chose comme le phénomène critique quantique qui l’intéressait.
Il s’est avéré que l’une des parties les plus difficiles à réaliser était la construction des dispositifs. Tout d’abord, les grandes lignes du circuit doivent être gravées à l’échelle nanoscopique dans des semi-conducteurs. Ensuite, quelqu’un doit déposer et faire fondre une minuscule tache de métal sur la structure sous-jacente pour créer chaque îlot métallique.
“Ils sont très difficiles à fabriquer“, a déclaré M. Pouse à propos de ces dispositifs. “Ce n’est pas un processus très propre, et il est important d’établir un bon contact entre le métal et le semi-conducteur sous-jacent.“
Malgré ces difficultés, l’équipe, dont les travaux s’inscrivent dans le cadre d’efforts plus larges en matière de science quantique à Stanford et au SLAC, a pu construire un dispositif comportant deux îlots métalliques et examiner comment les électrons s’y déplaçaient dans diverses conditions. Leurs résultats correspondent aux calculs qui ont pris des semaines sur un superordinateur, ce qui laisse penser qu’ils ont peut-être trouvé un moyen d’étudier les phénomènes critiques quantiques de manière beaucoup plus efficace qu’auparavant.
“Bien que nous n’ayons pas encore construit un ordinateur quantique programmable polyvalent doté d’une puissance suffisante pour résoudre tous les problèmes ouverts en physique“, a déclaré Andrew Mitchell, physicien théoricien au Centre for Quantum Engineering, Science, and Technology (C-QuEST) de l’University College Dublin et coauteur de l’article, “nous pouvons désormais construire des dispositifs analogues sur mesure avec des composants quantiques qui peuvent résoudre des problèmes spécifiques de physique quantique“.
À terme, l’équipe espère construire des dispositifs comportant de plus en plus d’îlots, afin de pouvoir simuler des réseaux d’atomes de plus en plus vastes et de capturer les comportements essentiels des matériaux réels, a expliqué Mme Goldhaber-Gordon.
Toutefois, l’équipe espère d’abord améliorer la conception de son dispositif à deux îlots. L’un des objectifs est de réduire la taille des îlots métalliques, ce qui pourrait leur permettre de mieux fonctionner à des températures accessibles : les “réfrigérateurs” à ultra-basse température de pointe peuvent atteindre des températures inférieures à un cinquantième de degré au-dessus du zéro absolu, mais c’était à peine assez froid pour l’expérience que les chercheurs viennent d’achever. Une autre difficulté consiste à mettre au point un processus de création d’îlots plus fiable que celui qui consiste à faire couler des morceaux de métal fondu sur un semi-conducteur.
Une fois ces problèmes résolus, les chercheurs pensent que leurs travaux pourraient permettre aux physiciens de progresser considérablement dans leur compréhension de certains types de supraconducteurs et peut-être même d’une physique plus exotique, comme les états quantiques hypothétiques qui imitent les particules n’ayant qu’une fraction de la charge d’un électron.
“David et moi avons en commun d’apprécier le fait qu’une telle expérience ait été possible“, a déclaré M. Pouse, et pour l’avenir, “je suis certainement enthousiaste“.
La recherche a été financée principalement par le DOE Office of Science, les premières étapes ayant été soutenues par la Gordon and Betty Moore Foundation.
Illustration image : Image au microscope électronique à balayage du dispositif à “deux îles”, dont les chercheurs espèrent qu’il ouvrira la voie à un simulateur quantique. (Winston Pouse/Université de Stanford)
[ Rédaction ]
