Les chercheurs font un pas vers de nouveaux simulateurs quantiques


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    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 choses exotiques qui se produisent lorsque ces systèmes oscillent entre deux états quantiques.

    Malheureusement, comprendre ce qui se passe à ces points, connus sous le nom de points critiques quantiques, s’est avéré difficile. Les mathématiques sont souvent trop difficiles à résoudre, et les ordinateurs d’aujourd’hui ne sont pas toujours à la hauteur de la tâche de simuler ce qui se passe, en particulier dans les systèmes avec un nombre appréciable d’atomes impliqués.

    Maintenant, des chercheurs de l’Université de Stanford et du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et leurs collègues ont fait un pas en avant vers la construction d’une approche alternative, connue sous le nom de simulateur quantique. Bien que le nouvel appareil, pour l’instant, ne simule que les interactions entre deux objets quantiques, les chercheurs affirment dans un article publié le 30 janvier dans Physique naturelle qu’il pourrait être étendu relativement facilement. Si tel est le cas, les chercheurs pourraient l’utiliser pour simuler des systèmes plus complexes et commencer à répondre à certaines des questions les plus alléchantes de la physique.

    “Nous créons 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, ils ne sont souvent pas résolubles dans un laps de temps raisonnable” avec les méthodes actuelles, a déclaré David Goldhaber-Gordon, professeur de physique à Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). Avec un chemin vers un simulateur quantique, a-t-il dit, “nous avons ces boutons à tourner que personne n’a jamais eu auparavant.”

    Des îles dans une mer d’électrons

    L’idée essentielle d’un simulateur quantique, a déclaré Goldhaber-Gordon, est en quelque sorte similaire à un modèle mécanique du système solaire, où quelqu’un tourne une manivelle et des engrenages imbriqués tournent pour représenter le mouvement de la lune et des planètes. On pense qu’un tel “orrery” découvert dans un naufrage datant de plus de 2000 ans a produit des prédictions quantitatives des horaires d’éclipse et des emplacements planétaires dans le ciel, et des machines analogues ont été utilisées jusqu’à la fin du 20e siècle pour des calculs mathématiques trop difficiles pour les ordinateurs numériques les plus avancés de l’époque.

    Comme les concepteurs d’un modèle mécanique d’un système solaire, les chercheurs qui construisent des simulateurs quantiques doivent s’assurer que leurs simulateurs s’alignent raisonnablement bien avec les modèles mathématiques qu’ils sont censés simuler.

    Pour Goldhaber-Gordon et ses collègues, bon 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 dans un tel matériau sont tous identiques et ils interagissent tous les uns avec les autres et avec la mer d’électrons qui les entoure.

    Pour modéliser des matériaux comme celui-ci avec un simulateur quantique, le simulateur doit avoir des remplaçants pour les atomes du réseau qui sont presque identiques les uns aux autres, et ceux-ci doivent interagir fortement les uns avec les autres et avec un réservoir d’électrons environnant. Le système doit également être réglable d’une manière ou d’une autre, de sorte que les expérimentateurs puissent faire varier 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 du Physique naturelle papier. “A un niveau élevé, il y a des atomes ultrafroids, où les atomes sont exactement identiques, mais la mise en œuvre d’un couplage fort à un réservoir est difficile. Ensuite, il y a des simulateurs basés sur des points quantiques, où nous pouvons obtenir un couplage fort, mais les sites sont pas identiques », a déclaré Pouse.

    Goldhaber-Gordon a déclaré qu’une solution possible est 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 pools d’électrons spécialement conçus, connus sous le nom de gaz d’électrons bidimensionnels. Des portes commandées en tension régulaient le flux d’électrons entre les piscines et l’îlot métallique.

    En étudiant les travaux de Pierre et de son laboratoire, Pouse, Goldhaber-Gordon et leurs collègues ont réalisé que ces appareils pouvaient répondre à leurs critères. Les îles – remplaçant les atomes du réseau – interagissaient fortement avec les gaz d’électrons qui les entouraient, et si l’île unique de Pierre était étendue à un groupe de deux îles ou plus, elles interagiraient également fortement les unes avec les autres. Les îlots métalliques ont également un nombre beaucoup plus grand d’états électroniques par rapport aux autres matériaux, ce qui a pour effet de faire la moyenne des différences significatives entre deux blocs différents invisiblement minuscules du même métal, ce qui les rend effectivement identiques. Enfin, le système était réglable via des fils électriques qui contrôlaient les tensions.

    Un simple simulateur

    L’équipe a également réalisé qu’en associant les îlots métalliques de Pierre, ils pouvaient créer un système simple qui devrait afficher quelque chose comme le phénomène critique quantique qui les intéressait.

    Il s’est avéré que l’une des parties les plus difficiles était en fait la construction des appareils. Tout d’abord, les contours de base du circuit doivent être gravés nanoscopiquement dans les semi-conducteurs. Ensuite, quelqu’un doit déposer et faire fondre une petite goutte de métal sur la structure sous-jacente pour créer chaque îlot métallique.

    “Ils sont très difficiles à fabriquer”, a déclaré Pouse à propos des appareils. “Ce n’est pas un processus super 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 science quantique à Stanford et au SLAC, a pu construire un appareil avec deux îlots métalliques et examiner comment les électrons se déplaçaient dans diverses conditions. Leurs résultats correspondaient à des calculs qui prenaient des semaines sur un supercalculateur, laissant entendre qu’ils avaient peut-être trouvé un moyen d’étudier les phénomènes critiques quantiques beaucoup plus efficacement qu’auparavant.

    “Bien que nous n’ayons pas encore construit d’ordinateur quantique programmable polyvalent avec une puissance suffisante pour résoudre tous les problèmes ouverts en physique”, a déclaré Andrew Mitchell, physicien théoricien au Centre d’ingénierie, de science et de technologie quantiques de l’University College Dublin (C -QuEST) et co-auteur de l’article, “nous pouvons désormais construire des dispositifs analogiques sur mesure avec des composants quantiques capables de résoudre des problèmes spécifiques de physique quantique”.

    À terme, a déclaré Goldhaber-Gordon, l’équipe espère construire des dispositifs avec de plus en plus d’îlots, afin de pouvoir simuler des réseaux d’atomes de plus en plus grands, capturant les comportements essentiels des matériaux réels.

    Cependant, ils espèrent d’abord améliorer la conception de leur appareil à deux îlots. L’un des objectifs est de diminuer la taille des îlots métalliques, ce qui pourrait les faire fonctionner mieux à des températures accessibles : les “réfrigérateurs” ultra-basse température de pointe peuvent atteindre des températures jusqu’à un cinquantième de degré au-dessus du zéro absolu, mais c’était à peine assez froid pour l’expérience que les chercheurs viennent de terminer. Une autre consiste à développer un processus plus fiable pour créer les îlots que de faire goutter essentiellement des morceaux de métal fondu sur un semi-conducteur.

    Mais une fois que des problèmes comme ceux-ci auront été résolus, les chercheurs pensent que leurs travaux pourraient jeter les bases d’avancées significatives dans la compréhension des physiciens de certains types de supraconducteurs et peut-être même d’une physique plus exotique, comme des états quantiques hypothétiques qui imitent des particules avec seulement une fraction de la charge d’un électron.

    “Une chose que David et moi partageons est une appréciation du fait que la réalisation d’une telle expérience était même possible”, a déclaré Pouse, et pour l’avenir, “je suis certainement excité.”

    La recherche a été financée principalement par le DOE Office of Science, les premières étapes étant soutenues par la Gordon and Betty Moore Foundation.

    Houssen Moshinaly

    Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009.

    Blogueur et essayiste, j'ai écrit 9 livres sur différents sujets comme la corruption en science, les singularités technologiques ou encore des fictions. Je propose aujourd'hui des analyses politiques et géopolitiques sur le nouveau monde qui arrive. J'ai une formation de rédaction web et une longue carrière de prolétaire.

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