Le résultat est un premier petit pas vers la compréhension des systèmes quantiques naturels et comment ils peuvent conduire à des simulations quantiques plus puissantes

“Supposons que vous saviez tout ce qu’il y avait à savoir sur une molécule d’eau – la formule chimique, l’angle de liaison, etc.”, déclare Joseph Thywissen, professeur au Département de physique et membre du Center for Quantum Information & Quantum Control. à l’Université de Toronto.

“Vous savez peut-être tout sur la molécule, mais vous ne savez toujours pas qu’il y a des vagues sur l’océan, et encore moins comment les surfer”, dit-il. “C’est parce que lorsque vous assemblez un tas de molécules, elles se comportent d’une manière que vous ne pouvez probablement pas anticiper.”

Thywissen décrit le concept en physique connu sous le nom d’émergence : la relation entre le comportement et les caractéristiques des particules individuelles et un grand nombre de ces particules. Lui et ses collaborateurs ont fait un premier pas dans la compréhension de cette transition des particules “un à plusieurs” en étudiant non pas une, pas plusieurs, mais deux particules isolées en interaction, dans ce cas des atomes de potassium.

Le résultat, décrit dans un article publié aujourd’hui dans la revue La natureest un premier petit pas vers la compréhension des systèmes quantiques naturels et la manière dont ils peuvent conduire à des simulations quantiques plus puissantes et plus efficaces.

L’équipe collaborative de physiciens expérimentaux de l’Université de Toronto et de physiciens théoriciens de l’Université du Colorado a mesuré la force d’un type d’interaction — connu sous le nom d’« interactions d’onde p » — entre deux atomes de potassium et a découvert que le résultat confirme une prédiction de longue date.

Les interactions des ondes P sont faibles dans les systèmes naturels, mais les chercheurs avaient prédit qu’elles avaient une limite théorique maximale beaucoup plus élevée. L’équipe est la première à confirmer que la force de l’onde p entre les particules a atteint ce maximum.

“Dans notre laboratoire, nous avons pu isoler deux atomes à la fois”, explique Vijin Venu, titulaire d’un doctorat en physique de l’Université de Toronto. “Cette approche évite la complexité des systèmes à plusieurs atomes et permet un contrôle et une étude complets des interactions entre les atomes d’une paire.”

L’équipe a isolé des paires d’atomes dans un réseau optique 3D – un “cristal de lumière” comme le décrit Cora Fujiwara, chercheuse postdoctorale en physique à l’Université de Toronto – créé à l’intersection de trois faisceaux laser à 90 degrés l’un de l’autre. Les faisceaux croisés ont généré des nœuds stationnaires de haute intensité qui ont piégé des paires de particules. Avec des paires ainsi isolées, les chercheurs ont pu mesurer la force de leur interaction mutuelle.

“Ce que nous avons vu dans notre expérience était remarquable”, déclare Fujiwara. “C’est un petit système parfait. Et maintenant que nous avons cette compréhension de ce système à deux particules, nous pouvons commencer à créer ces sortes de systèmes exotiques qui impliquent beaucoup, beaucoup plus de particules.”

Le résultat a des ramifications dans de nombreuses technologies différentes, notamment l’étude des superfluides, la supraconductivité et les simulations quantiques.

Les simulations quantiques sont des modèles conçus pour comprendre les systèmes quantiques tels que les atomes, les molécules ou les réactions chimiques – des systèmes régis par la mécanique quantique. Ces simulations peuvent aider à comprendre comment les propriétés des matériaux émergent des interactions particule-particule.

“En fait, les interactions entre les fermions polarisés en spin que nous avons observés devraient donner naissance à de nouvelles formes de superfluides robustes non conventionnels, qui sont considérées comme une ressource potentielle pour les calculs quantiques”, explique Ana Maria Rey, professeure adjointe de physique à l’Université du Colorado à Boulder et membre du JILA et du National Institute of Standards and Technology.

Le défi de résoudre des modèles quantiques avec des ordinateurs existants est de taille ; la tâche a été décrite comme l’enseignement de la mécanique quantique à un ordinateur. Une alternative prometteuse consiste à utiliser les systèmes quantiques existants – en d’autres termes, des atomes et des molécules réels.

“Ce qui est difficile pour nous est facile pour la nature”, déclare Thywissen. “Et ainsi, nous pouvons exploiter la puissance de calcul de la nature en “faisant son travail” pour résoudre des problèmes qui nous seraient autrement insolubles.”