Pour la plupart des expériences quotidiennes, comme faire du vélo, utiliser un ascenseur ou attraper une balle, la mécanique classique (newtonienne) est parfaitement précise.

Cependant, aux échelles atomique et subatomique La nature est décrite par la mécanique quantique, formulé il y a environ 100 ans et célèbre par le physicien théoricien Richard Feynman lorsqu'il a dit :« Je pense que je peux dire en toute sécurité que personne ne comprend la mécanique quantique ».

Même aujourd'hui, comprendre la dynamique des systèmes de mécanique quantique composés d'un grand nombre de particules en interaction reste l'un des problèmes les plus difficiles de la physique.

Pour relever ce défi, une collaboration de recherche interdisciplinaire de théoriciens de l'information quantique du département de physique de l'université de Swansea a développé un nouveau protocole de simulation quantique.

Dans leur étude théorique, Publié dans Examen physique X , Le professeur Gert Aarts, physicien des hautes énergies, ainsi que le Dr Markus Müller et Alejandro Bermudez proposent d'utiliser des atomes froids comme capteurs quantiques contrôlables pour accéder expérimentalement aux propriétés clés des théories des champs quantiques en interaction. Les résultats pourraient élucider difficile, questions ouvertes en matière condensée et physique des hautes énergies.

La théorie quantique des champs fournit un langage unificateur qui décrit une grande variété de systèmes dans la nature à de nombreuses échelles d'énergie, allant des atomes ultra-froids en laboratoire aux particules les plus énergétiques du Grand collisionneur de hadrons.

Alejandro Bermudez a déclaré :« Une pierre angulaire de la théorie quantique des champs est ce qu'on appelle la fonctionnelle génératrice, à partir de laquelle toutes les corrélations entre les particules peuvent être dérivées. » Le professeur Aarts a ajouté :« Habituellement, cela est considéré comme un outil mathématique qui compresse soigneusement toutes les informations pertinentes sur la théorie quantique des champs en un seul, quelque peu abstrait, quantité."

Dans ce travail, l'équipe montre comment la fonctionnelle génératrice peut en fait être mesurée en laboratoire, en utilisant des chaînes d'ions piégés refroidis par laser.

L'idée clé du nouveau schéma est de mapper les informations sur la fonctionnelle génératrice sur une collection de capteurs quantiques intriqués, codé dans les états électroniques des ions.

"Ces capteurs quantiques sont ensuite couplés par une séquence d'impulsions synchronisées avec précision au champ quantique, un peu comme les touches d'un piano, qui doit être pressé à différents moments pour produire une mélodie", explique Müller. "Cette mélodie - correspondant au signal de mesure interférométrique expérimental - contient les informations pertinentes sur la théorie quantique du champ d'intérêt."

Les résultats constituent une étape importante dans le domaine plus large des simulations quantiques, qui visent à comprendre les problèmes de la physique quantique à N corps au moyen de systèmes expérimentaux pouvant être manipulés avec précision pour représenter la théorie quantique des champs à l'étude.

Capteurs quantiques pour la génération fonctionnelle des théories quantiques des champs en interaction. A. Bermudez, G. Aarts, et M. Müller est publié dans Examen physique X .