Un groupe de scientifiques dirigé par Johannes Fink de l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (IST Autriche) a signalé la première observation expérimentale d'une transition de phase de premier ordre dans un système quantique dissipatif. Les transitions de phase comprennent des phénomènes tels que la congélation de l'eau à la température critique de 0 degré Celsius. Cependant, les transitions de phase se produisent également au niveau de la mécanique quantique, où ils sont encore relativement inexplorés par les chercheurs.

Un exemple d'une transition de phase au niveau quantique est le claquage par blocage de photons, qui n'a été découvert qu'il y a deux ans. Pendant le blocus de photons, un photon remplit une cavité dans un système optique et empêche d'autres photons d'entrer dans la même cavité jusqu'à ce qu'il en sorte, bloquant ainsi le flux de photons. Mais si le flux de photons augmente jusqu'à un niveau critique, une transition de phase quantique est prédite :le blocage des photons s'effondre, et l'état du système passe d'opaque à transparent. Cette transition de phase spécifique a maintenant été observée expérimentalement par des chercheurs qui, pour la première fois, remplissait les conditions très particulières nécessaires à l'étude de cet effet.

Lors d'une transition de phase, le réglage en continu d'un paramètre externe, par exemple la température, conduit à une transition entre deux états stables robustes avec des attributs différents. Les transitions de phase du premier ordre sont caractérisées par une coexistence des deux phases stables lorsque le paramètre de contrôle se situe dans une certaine plage proche de la valeur critique. Les deux phases forment une phase mixte dans laquelle certaines parties ont terminé la transition et d'autres non, comme dans un verre contenant de l'eau glacée. Les résultats expérimentaux que Fink et ses collaborateurs publieront dans la revue Examen physique X donner un aperçu de la base de la mécanique quantique de cet effet dans un microscopique, système à dimension zéro.

Leur configuration consistait en une micropuce avec un résonateur micro-ondes supraconducteur faisant office de cavité et quelques qubits supraconducteurs faisant office d'atomes. La puce a été refroidie à une température incroyablement proche du zéro absolu (0,01 Kelvin), de sorte que les fluctuations thermiques n'ont joué aucun rôle. Pour produire un flux de photons, les chercheurs ont ensuite envoyé une tonalité micro-onde continue à l'entrée du résonateur de la puce. Côté sortie, ils amplifiaient et mesuraient le flux micro-onde transmis. Pour certaines puissances d'entrée, ils ont détecté un signal basculant stochastiquement entre une transmission nulle et une transmission complète, prouvant que la coexistence attendue des deux phases s'était produite. "Nous avons observé pour la première fois ce basculement aléatoire entre opaque et transparent et en accord avec les prédictions théoriques, " déclare l'auteur principal Johannes Fink de l'IST Autriche.

Les applications futures potentielles incluent des éléments de stockage de mémoire et des processeurs pour la simulation quantique. "Notre expérience a duré exactement 1,6 milliseconde pour une puissance d'entrée donnée. La simulation numérique correspondante a pris quelques jours sur un cluster national de superordinateurs. Cela donne une idée de pourquoi ces systèmes pourraient être utiles pour les simulations quantiques, ", explique Fink.

Johannes Fink est venu à IST Autriche en 2016 pour démarrer son groupe de travail sur les dispositifs intégrés quantiques. L'objectif principal de son groupe est de faire progresser et d'intégrer la technologie quantique pour le calcul à base de puces, la communication, et sentir.