Les théories quantiques des champs sont souvent difficiles à vérifier expérimentalement. Maintenant, il existe une nouvelle façon de les mettre à l'épreuve. Les scientifiques ont créé un système quantique composé de milliers d'atomes ultra froids. En les gardant dans un piège magnétique sur une puce atomique, ce nuage d'atomes peut être utilisé comme « simulateur quantique », qui donne de nouvelles perspectives sur certaines des questions les plus fondamentales de la physique.

Que s'est-il passé juste après le début de l'univers ? Comment comprendre la structure des matériaux quantiques ? Comment fonctionne le mécanisme de Higgs ? Ces questions fondamentales ne peuvent être résolues qu'en utilisant les théories quantiques des champs. Ces théories ne décrivent pas les particules indépendamment les unes des autres; toutes les particules sont vues comme un champ collectif, imprégnant tout l'univers.

Mais ces théories sont souvent difficiles à tester dans une expérience. Au Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) à TU Wien, les chercheurs ont maintenant démontré comment les théories quantiques des champs peuvent être mises à l'épreuve dans de nouveaux types d'expériences. Ils ont créé un système quantique composé de milliers d'atomes ultra froids. En les gardant dans un piège magnétique sur une puce atomique, ce nuage d'atomes peut être utilisé comme "simulateur quantique", qui fournit des informations sur une variété de systèmes physiques différents et de nouvelles perspectives sur certaines des questions les plus fondamentales de la physique.

Systèmes quantiques complexes :plus que la somme de leurs parties

"Les atomes ultra froids ouvrent une porte pour recréer et étudier les processus quantiques fondamentaux en laboratoire", déclare le professeur Jörg Schmiedmayer (VCQ, TU Vienne). Une caractéristique d'un tel système est que ses parties ne peuvent pas être étudiées indépendamment.

Les systèmes classiques que nous connaissons par expérience quotidienne sont assez différents :les trajectoires des boules sur une table de billard peuvent être étudiées séparément, les boules n'interagissent que lorsqu'elles entrent en collision.

"Dans un système quantique hautement corrélé comme le nôtre, fait de milliers de particules, la complexité est si élevée qu'une description en termes de ses constituants fondamentaux est mathématiquement impossible", dit Thomas Schweigler, le premier auteur de l'article. "Au lieu, nous décrivons le système en termes de processus collectifs auxquels participent de nombreuses particules, semblables à des ondes dans un liquide, qui sont également constitués d'innombrables molécules. » Ces processus collectifs peuvent désormais être étudiés avec des détails sans précédent grâce aux nouvelles méthodes.

Corrélations plus élevées

Dans les mesures de haute précision, il s'avère que la probabilité de trouver un atome individuel n'est pas la même à chaque point de l'espace - et il existe des relations intrigantes entre les différentes probabilités. "Quand on a un gaz classique et qu'on mesure deux particules à deux endroits distincts, ce résultat n'influence pas la probabilité de trouver une troisième particule en un troisième point de l'espace", dit Jörg Schmiedmayer. "Mais en physique quantique, il existe des liens subtils entre les mesures à différents points de l'espace. Ces corrélations nous renseignent sur les lois fondamentales de la nature qui déterminent le comportement du nuage d'atomes à un niveau quantique."

"Les fonctions dites de corrélation, qui sont utilisés pour décrire mathématiquement ces relations, sont un outil extrêmement important en physique théorique pour caractériser les systèmes quantiques", déclare le professeur Jürgen Berges (Institut de physique théorique, Université de Heidelberg). Mais même s'ils ont longtemps joué un rôle important dans la physique théorique, ces corrélations pouvaient difficilement être mesurées expérimentalement. Avec l'aide des nouvelles méthodes développées à la TU Wien, cela est en train de changer :"Nous pouvons étudier des corrélations d'ordres différents - jusqu'au dixième ordre. Cela signifie que nous pouvons étudier la relation entre des mesures simultanées en dix points différents dans l'espace", Schmiedmayer explique. "Pour décrire le système quantique, il est très important que ces corrélations plus élevées puissent être représentées par des corrélations d'ordre inférieur - dans ce cas, ils peuvent être négligés à un moment donné, ou s'ils contiennent de nouvelles informations."

Simulateurs quantiques

En utilisant des systèmes hautement corrélés comme le nuage d'atomes dans le piège magnétique, diverses théories peuvent désormais être testées dans un environnement bien contrôlé. Cela nous permet d'acquérir une compréhension approfondie de la nature des corrélations quantiques. Ceci est particulièrement important car les corrélations quantiques jouent un rôle crucial dans de nombreux, questions de physique apparemment sans rapport :des exemples sont le comportement particulier du jeune univers juste après le big bang, mais aussi pour les nouveaux matériaux spéciaux, tels que les isolants dits topologiques.

Des informations importantes sur de tels systèmes physiques peuvent être obtenues en recréant des conditions similaires dans un système modèle, comme les nuages ​​atomiques. C'est l'idée de base des simulateurs quantiques :tout comme les simulations informatiques, qui fournissent des données à partir desquelles nous pouvons apprendre quelque chose sur le monde physique, une simulation quantique peut donner des résultats sur un système quantique différent auquel il n'est pas possible d'accéder directement en laboratoire.

L'étude est publiée dans la revue La nature .