Un laboratoire universitaire manipule des atomes ultrafroids de Rydberg pour imiter les interactions quantiques


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  • Notre sens spatial ne s’étend pas au-delà des trois dimensions familières, mais cela n’empêche pas les scientifiques de jouer avec tout ce qui se trouve au-delà.

    Les physiciens de l’Université Rice repoussent les frontières spatiales dans de nouvelles expériences. Ils ont appris à contrôler les électrons dans de gigantesques atomes de Rydberg avec une telle précision qu’ils peuvent créer des « dimensions synthétiques », des outils importants pour les simulations quantiques.

    L’équipe Rice a développé une technique pour concevoir les états de Rydberg d’atomes de strontium ultrafroids en appliquant des champs électriques micro-ondes résonnants pour coupler de nombreux états ensemble. Un état de Rydberg se produit lorsqu’un électron de l’atome est propulsé énergétiquement jusqu’à un état hautement excité, surdimensionnant son orbite pour rendre l’atome des milliers de fois plus grand que la normale.

    Les atomes ultrafroids de Rydberg sont à environ un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. En manipulant avec précision et souplesse le mouvement des électrons, les chercheurs de la Rice Quantum Initiative ont couplé des niveaux de Rydberg en forme de treillis de manière à simuler des aspects de matériaux réels. Les techniques pourraient également aider à réaliser des systèmes qui ne peuvent pas être réalisés dans un espace tridimensionnel réel, créant une nouvelle plate-forme puissante pour la recherche quantique.

    Les physiciens du riz Tom Killian, Barry Dunning et Kaden Hazzard, tous membres de l’initiative, ont détaillé la recherche avec l’auteur principal et étudiant diplômé Soumya Kanungo dans un article publié dans Communication Nature. L’étude s’est appuyée sur des travaux antérieurs sur les atomes de Rydberg que Killian et Dunning ont explorés pour la première fois en 2018.

    Les atomes de Rydberg possèdent de nombreux niveaux d’énergie quantique régulièrement espacés, qui peuvent être couplés par des micro-ondes qui permettent à l’électron hautement excité de se déplacer d’un niveau à l’autre. La dynamique dans cette « dimension synthétique » est mathématiquement équivalente à une particule se déplaçant entre les sites du réseau dans un vrai cristal.

    « Dans une expérience de physique typique au lycée, on peut voir des raies d’émission lumineuse d’atomes qui correspondent à des transitions d’un niveau d’énergie à un autre », a déclaré Hazzard, professeur agrégé de physique et d’astronomie qui a établi la base théorique de l’étude dans plusieurs études précédentes. papiers. « On peut même voir cela avec un spectromètre très primitif : un prisme !

    « Ce qui est nouveau ici, c’est que nous considérons chaque niveau comme un emplacement dans l’espace », a-t-il déclaré. « En envoyant différentes longueurs d’onde de lumière, nous pouvons coupler les niveaux. Nous pouvons faire en sorte que les niveaux ressemblent à des particules qui se déplacent simplement d’un endroit à l’autre dans l’espace.

    « C’est difficile à faire avec la lumière – ou le rayonnement électromagnétique de longueur d’onde nanométrique – mais nous travaillons avec des longueurs d’onde millimétriques, ce qui facilite techniquement la génération de couplages », a déclaré Hazzard.

    « Nous pouvons configurer les interactions, la façon dont les particules se déplacent et capturer toute la physique importante d’un système beaucoup plus compliqué », a déclaré Killian, professeur de physique et d’astronomie à Rice et doyen de la Wiess School of Natural Sciences.

    « La chose vraiment excitante sera lorsque nous réunirons plusieurs atomes de Rydberg pour créer des particules en interaction dans cet espace synthétique », a-t-il déclaré. « Avec ça, on va pouvoir faire de la physique qu’on ne peut pas simuler sur un ordinateur classique car ça se complique très vite. »

    Les chercheurs ont démontré leurs techniques en réalisant un réseau 1D connu sous le nom de système Su-Schrieffer-Heeger. Pour le fabriquer, ils ont utilisé des lasers pour refroidir les atomes de strontium et appliqué des micro-ondes avec une alternance de couplages faibles et forts pour créer le paysage synthétique approprié. Un deuxième ensemble de lasers a été utilisé pour exciter les atomes vers la variété d’états de Rydberg couplés et situés en hauteur.

    L’expérience a révélé comment les particules se déplacent à travers le réseau 1D ou, dans certains cas, sont gelées sur les bords même si elles ont suffisamment d’énergie pour se déplacer, a déclaré Killian. Cela concerne les propriétés des matériaux qui peuvent être décrites en termes de topologie.

    « Il est beaucoup plus facile de contrôler les amplitudes de couplage lors de l’utilisation d’ondes millimétriques pour coupler les états atomiques de Rydberg », a déclaré Kanungo. « Lorsque nous atteignons ce réseau 1D, avec tous les couplages en place, nous pouvons essayer de voir quelle dynamique résulterait de l’excitation d’un électron de Rydberg dans cet espace synthétique. »

    « Utiliser un simulateur quantique, c’est un peu comme utiliser une soufflerie pour isoler les effets mineurs mais importants qui vous intéressent parmi l’aérodynamique plus compliquée d’une voiture ou d’un avion », a déclaré Killian. « Cela devient important lorsque le système est régi par la mécanique quantique, où dès que vous obtenez plus de quelques particules et quelques degrés de liberté, il devient compliqué de décrire ce qui se passe.

    « Les simulateurs quantiques sont l’un des fruits à portée de main qui, selon les gens, seront des outils précoces et utiles pour sortir des investissements dans la science de l’information quantique », a-t-il déclaré, notant que cette expérience combinait des techniques qui sont désormais assez courantes dans les laboratoires qui étudient l’atome. la physique.

    « Toutes les technologies sont bien établies », a-t-il déclaré. « Vous pourriez même concevoir que cela devienne presque une expérience de boîte noire que les gens pourraient utiliser, car les pièces individuelles sont très robustes. »

    Les co-auteurs de l’article sont le chercheur postdoctoral Joseph Whalen et les étudiants diplômés Yi Lu et Sohail Dasgupta de Rice, et l’étudiant diplômé Ming Yuan de Rice et de l’Université de Chicago. Dunning est professeur Sam et Helen Worden au Département de physique et d’astronomie.

    L’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-17-1-0366), la National Science Foundation (1904294, 1848304) et la Robert A. Welch Foundation (C-0734, C-1844, C-1872) ont soutenu la recherche.

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