Un groupe de chercheurs de Russie, L'Allemagne et l'Iran ont développé des méthodes de calcul vers une théorie décrivant le comportement des atomes froids et des ions dans les pièges optiques et électromagnétiques. De telles méthodes pourraient permettre la modélisation avec des systèmes quantiques complètement contrôlés de processus complexes en physique du solide et en physique des hautes énergies. D'autres applications possibles incluent la conception d'éléments d'un ordinateur quantique et d'une horloge atomique ultra-précise basée sur des atomes et des ions ultrafroids piégés. Les résultats ont été publiés dans Examen physique E .

Aux températures ultra basses, les atomes se déplacent à très faible vitesse, qui permet aux chercheurs de mener des expériences de haute précision. Cependant, interpréter et planifier les expériences, des calculs théoriques sont nécessaires. Le Dr Vladimir Melezhik de l'Université RUDN est engagé dans des calculs de phénomènes de résonance et de processus de collision dans les gaz quantiques ultrafroids. Le gaz quantique est retenu à des températures ultra basses dans un piège optique formé par des faisceaux laser spécialement réglés. La technique expérimentale permet de contrôler et d'ajuster les paramètres de tels systèmes quantiques :le nombre de particules, leur composition de spin, Température, et l'interaction efficace entre les atomes. Cependant, la description quantitative des processus est considérablement compliquée par le fait que dans de tels systèmes, les atomes interagissent non seulement entre eux, mais aussi avec le piège.

Vladimir Melezhik et ses co-auteurs se concentrent sur les pièges atomiques et ioniques, qui ont la forme de cigares très allongés et sont similaires aux guides d'ondes utilisés pour la transmission des ondes électromagnétiques. Les chercheurs étudient depuis longtemps la propagation du rayonnement électromagnétique dans les guides d'ondes, et ont développé des méthodes de calcul efficaces. Cependant, une théorie quantitative qui pourrait décrire les processus ultrafroids dans les guides d'ondes atomiques et ioniques est toujours en cours de développement.

"Le piège ajoute une complexité au problème. Dans l'espace libre, il n'y a pas de directions préférées. Cette circonstance permet de réduire le problème quantique à deux corps à six dimensions de deux atomes en collision à un problème à une dimension. C'est le problème clé de la mécanique quantique, décrites dans les manuels. Cependant, dans le piège atomique, en raison de l'apparition d'une direction privilégiée, la symétrie est violée ce qui rend impossible de réduire le problème à une dimension. Dans certains cas, le problème peut être réduit à l'équation de Schrödinger à deux dimensions. Cependant, dans les cas les plus intéressants, il devient nécessaire d'intégrer l'équation de Schrödinger dans des dimensions supérieures. Pour résoudre cette classe de problèmes, il faut développer des méthodes de calcul spéciales et utiliser des ordinateurs puissants. Nous avons réussi à faire des progrès significatifs sur ce col, " a déclaré l'auteur Vladimir Melezhik.

En modifiant les paramètres du piège, les chercheurs peuvent contrôler l'intensité des interactions interatomiques efficaces, de l'attraction superforte à la répulsion superforte des atomes. Cela permet de simuler divers phénomènes quantiques critiques à l'aide d'atomes piégés ultrafroids.

"L'un des axes de nos travaux est l'étude numérique de systèmes quantiques ultrafroids utilisant des pièges hybrides atomiques-ions, offrant de nouvelles possibilités de modélisation de certains processus réels de la physique du solide, éléments de recherche en informatique quantique et en physique de précision, " conclut le scientifique.