De nouvelles recherches, utilisant des atomes ultrafroids, révèlent des propriétés particulières des systèmes quantiques

« À l’ère de l’informatique quantique, il est essentiel de générer une caractérisation précise des systèmes que nous construisons », explique Dries Sels, professeur adjoint au département de physique de l’Université de New York et auteur de l’article, qui paraît dans la revue Physique naturelle. “Ce travail reconstruit l’état complet d’un liquide quantique, conformément aux prédictions d’une théorie quantique des champs – similaires à celles qui décrivent les particules fondamentales de notre univers.”

Sels ajoute que la percée est prometteuse pour le progrès technologique.

“L’informatique quantique repose sur la capacité de générer un enchevêtrement entre différents sous-systèmes, et c’est exactement ce que nous pouvons sonder avec notre méthode”, note-t-il. “La capacité de faire une caractérisation aussi précise pourrait également conduire à de meilleurs capteurs quantiques – un autre domaine d’application des technologies quantiques.”

L’équipe de recherche, qui comprenait des scientifiques de l’Université de technologie de Vienne, de l’ETH Zurich, de l’Université libre de Berlin et de l’Institut Max-Planck d’optique quantique, a effectué une tomographie d’un système quantique – la reconstruction d’un état quantique spécifique dans le but de chercher des preuves expérimentales d’une théorie.

Le système quantique étudié se composait d’atomes ultrafroids – des atomes lents qui facilitent l’analyse du mouvement en raison de leur température proche de zéro – piégés sur une puce atomique.

Dans leur travail, les scientifiques ont créé deux “copies” de ce système quantique – des nuages ​​d’atomes en forme de cigare qui évoluent au fil du temps sans s’influencer mutuellement. À différentes étapes de ce processus, l’équipe a réalisé une série d’expériences qui ont révélé les corrélations des deux copies.

“En construisant un historique complet de ces corrélations, nous pouvons déduire quel est l’état quantique initial du système et extraire ses propriétés”, explique Sels. “Au départ, nous avons un liquide quantique très fortement couplé, que nous avons scindé en deux pour qu’il évolue en deux liquides indépendants, puis nous le recombinons pour révéler les ondulations qui sont dans le liquide.

“C’est comme regarder les ondulations d’un étang après y avoir jeté une pierre et déduire les propriétés de la roche, telles que sa taille, sa forme et son poids.”

Cette recherche a été soutenue par des subventions de l’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0236) et de l’US Army Research Office (W911NF-20-1-0163) ainsi que du Austrian Science Fund (FWF) et du Fondation allemande pour la recherche (DRG).