Kenji Ohmori (Institut de science moléculaire, Instituts nationaux des sciences naturelles, Japon) et un groupe de collaborateurs ont développé le simulateur le plus rapide au monde pour la dynamique de la mécanique quantique d'un grand nombre de particules interagissant les unes avec les autres en un milliardième de seconde.

La dynamique des interactions entre un grand nombre d'électrons régit une variété de phénomènes physiques et chimiques importants, y compris la supraconductivité, magnétisme et réactions chimiques. Un ensemble de nombreuses particules interagissant ainsi les unes avec les autres est appelé « système fortement corrélé ». Comprendre les propriétés des systèmes fortement corrélés est donc l'un des objectifs centraux des sciences modernes. C'est extrêmement difficile, cependant, prédire théoriquement les propriétés d'un système fortement corrélé même en utilisant le supercalculateur japonais post-K, dont l'achèvement est prévu d'ici 2020.

Par exemple, le post-K ne peut même pas calculer l'énergie précise, la propriété la plus fondamentale de la matière, lorsque le nombre de particules dans le système est supérieur à 30. Au lieu de calculer avec un ordinateur classique tel que le post-K, un concept alternatif, un "simulateur quantique, " a été proposé, dans lequel des particules de mécanique quantique telles que des atomes sont assemblées en un système artificiel fortement corrélé dont les propriétés sont connues et contrôlables. Ce dernier est ensuite utilisé pour simuler et comprendre les propriétés d'un autre système fortement corrélé dont les propriétés ne sont pas connues.

L'équipe a maintenant développé un tout nouveau simulateur quantique pour la dynamique d'un système fortement corrélé de plus de 40 atomes en un milliardième de seconde. Ceci a été réalisé en introduisant une nouvelle approche dans laquelle une impulsion laser ultracourte d'une largeur d'impulsion de seulement 100 milliardièmes de seconde est utilisée pour contrôler un ensemble d'atomes à haute densité refroidis à des températures proches du zéro absolu. Par ailleurs, ils ont réussi à simuler le mouvement des électrons de ce système fortement corrélé qui est modulé en changeant la force des interactions entre de nombreux atomes de l'ensemble.

Ce "simulateur quantique ultrarapide" devrait servir d'outil de base pour étudier l'origine des propriétés physiques de la matière, y compris le magnétisme et, peut-être, supraconductivité.

Ce résultat sera publié dans Communication Nature le 16 novembre 2016.