mardi , 19 septembre 2017

Tester la théorie quantique des champs dans un simulateur quantique

Des chercheurs proposent de tester la théorie quantique des champs en laboratoire via ce qu’on appelle comme un simulateur quantique. Ces expériences vont permettre de répondre aux questions fondamentales de l’univers.


Tester la théorie quantique des champs dans un simulateur quantique
Une puce quantique contrôlant un nuage d'atomes - Crédit : TU Wien
Qu’est-ce qui s’est passé juste après le début de l’univers ? Comment comprendre la structure des matériaux quantiques ? Comment fonctionne le mécanisme de Higgs ? Seules les théories quantiques des champs peuvent répondre à ces questions fondamentales. Ces théories ne décrivent pas les particules de manière indépendante, car ces théories considèrent toutes les particules comme un champ collectif qui imprègnent tout l’univers.

Mais ces théories sont difficiles à tester dans une expérience. Au Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) à TU Wien, des chercheurs ont désormais démontré comment les théories quantiques des champs peuvent être testé dans de nouveaux types d’expériences.1 Ils ont créé un système quantique composé de milliers d’atomes ultra-froids. En les gardant dans un piège magnétique sur une puce atomique, ce nuage d’atome peut être utilisé comme un simulateur quantique et ce dernier donne des informations sur une variété de systèmes physiques différents et de nouvelles idées sur certaines des questions les plus fondamentales de la physique.

Les systèmes complexes quantiques

Les atomes ultra-froids ouvrent une porte pour recréer et étudier les processus quantiques fondamentaux en laboratoire selon le professeur Jörg Schmiedmayer (VCQ, TU Wien). Une caractéristique d’un tel système est qu’on ne peut pas étudier ses pièces de manière indépendante.

Les systèmes classiques, que nous connaissons dans notre expérience quotidienne, sont tout à fait différents. Les trajectoires des balles sur une table de billard peuvent être étudiées séparément, car ces balles ne font qu’interagir lorsqu’elles entrent en collision.

Dans un système quantique très corrélé tel que le nôtre, qui est composé de milliers de particules, la complexité est si élevée qu’une description en termes de ses constituants fondamentaux est mathématiquement impossible selon Thomas Schweigler, premier auteur du papier. À la place, nous décrivons le système en termes de processus collectifs dans lesquels de nombreuses particules participent, à la manière des vagues dans un liquide, mais qui sont toujours constituées d’innombrables molécules. On peut désormais étudier ces processus collectifs en utilisant les nouvelles méthodes.

Des corrélations plus élevées

Dans les mesures de haute précision, il s’avère que la probabilité de trouver un atome individuel n’est pas la même à chaque point de l’espace et il existe des relations intrigantes entre les différentes probabilités. Quand nous avons un gaz classique et que nous mesurons 2 particules à 2 endroits distincts, ce résultat n’influence pas la probabilité de trouver une 3e particule à un 3e point dans l’espace selon Jörg Schmiedmayer. Mais dans la physique quantique, il existe des liens subtils entre les mesures à différents points de l’espace. Ces corrélations nous décrivent les lois fondamentales de la nature qui déterminent le comportement du nuage d’atomes sur un niveau quantique.

Une puce d'atome - Crédit : TU Wien

Une puce d’atome – Crédit : TU Wien

Les fonctions dites de corrélation, qui sont utilisées pour décrire mathématiquement ces relations, sont un outil extrêmement important en physique théorique pour caractériser les systèmes quantiques selon le professeur Jürgen Berges (Institut de physique théorique, Université Heidelberg). Mais même s’ils ont joué un rôle important dans la physique théorique, il était difficile de mesurer ces corrélations dans les expériences. Mais cela pourrait changer avec les nouvelles méthodes développées à TU Wien. Nous pouvons étudier les corrélations de différentes magnitudes jusqu’à la 10e magnitude. Cela signifie que nous pouvons étudier la relation entre les mesures simultanées à 10 points différents de l’espace selon Schmiedmayer. Pour décrire le système quantique, il est très important que ces corrélations plus élevées puissent être représentées par des corrélations d’ordre inférieur et dans ce cas, elles peuvent être négligeables à un moment donné, mais elles peuvent contenir de nouvelles informations.

Le simulateur quantique

En utilisant des systèmes très corrélés comme le nuage d’atomes dans le piège magnétique, on peut tester différentes théories dans un environnement bien contrôlé. Cela nous permet de mieux comprendre la nature des corrélations quantiques. Et c’est particulièrement important parce que les corrélations quantiques jouent un rôle crucial dans de nombreuses questions physiques apparemment indépendantes. On peut citer le comportement particulier de l’univers jeune juste après le big bang, mais également pour de nouveaux matériaux spéciaux tels les isolants topologiques.

On peut obtenir des informations importantes sur ces systèmes physiques en recréant des conditions similaires dans un système modèle comme dans les nuages atomiques. C’est l’idée fondamentale des simulateurs quantiques. On peut les comparer à des simulations informatiques, qui produisent des données à partir desquelles on peut apprendre quelque chose sur le monde physique et de la même manière, une simulation quantique peut donner des résultats sur un système quantique différent auquel on ne peut accéder directement au laboratoire.

Sources

1.
Schweigler T, Kasper V, Erne S, et al. Experimental characterization of a quantum many-body system via higher-order correlations. Nature. 2017;545(7654):323-326. doi: 10.1038/nature22310
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A propos de Jacqueline Charpentier

mm
Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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