Le spectromètre RMN du laboratoire du Quantum Engineering Group (QEG). Crédit :Paola Cappellaro
Quand on parle de « technologie de l'information, " on entend généralement la partie technologique, comme les ordinateurs, réseaux, et logiciels. Mais l'information elle-même, et son comportement dans les systèmes quantiques, est un objectif central pour le groupe interdisciplinaire d'ingénierie quantique (QEG) du MIT, car il cherche à développer l'informatique quantique et d'autres applications de la technologie quantique.
Une équipe QEG a fourni une visibilité sans précédent sur la diffusion de l'information dans les grands systèmes de mécanique quantique, via une nouvelle méthodologie de mesure et une nouvelle métrique décrites dans un nouvel article de Physics Review Letters. L'équipe a pu, pour la première fois, mesurer la propagation des corrélations entre les spins quantiques dans le cristal de fluorapatite, en utilisant une adaptation des techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide à température ambiante.
Les chercheurs pensent de plus en plus qu'une meilleure compréhension de la diffusion de l'information n'est pas seulement essentielle pour comprendre le fonctionnement du domaine quantique, où les lois classiques de la physique ne s'appliquent souvent pas, mais pourrait également aider à concevoir le "câblage" interne des ordinateurs quantiques, capteurs, et d'autres appareils.
Un phénomène quantique clé est la corrélation non classique, ou enchevêtrement, dans lesquels des paires ou des groupes de particules interagissent de telle sorte que leurs propriétés physiques ne peuvent être décrites indépendamment, même lorsque les particules sont largement séparées.
Cette relation est au cœur d'un domaine de la physique qui évolue rapidement, théorie de l'information quantique. Il pose une nouvelle perspective thermodynamique dans laquelle l'information et l'énergie sont liées - en d'autres termes, cette information est physique, et que le partage de l'information au niveau quantique sous-tend la tendance universelle à l'entropie et à l'équilibre thermique, connue dans les systèmes quantiques sous le nom de thermalisation.
chef du QEG Paola Cappellaro, la professeure agrégée Esther et Harold E. Edgerton en sciences et ingénierie nucléaires, co-auteur du nouvel article avec l'étudiant diplômé en physique Ken Xuan Wei et le collaborateur de longue date Chandrasekhar Ramanathan du Dartmouth College.
Cappellaro explique qu'un objectif principal de la recherche était de mesurer la lutte au niveau quantique entre deux états de la matière :la thermalisation et la localisation, un état dans lequel le transfert d'informations est restreint et la tendance à une entropie plus élevée est en quelque sorte combattue par le désordre. Les travaux de l'équipe QEG se sont concentrés sur le problème complexe de la localisation à plusieurs corps (MBL) où le rôle des interactions spin-spin est critique.
Les corrélations quantiques à plusieurs corps dans une chaîne de spins se développent à partir d'un état localisé initial en l'absence de désordre, mais sont restreints à une taille finie par désordre, tel que mesuré par la longueur de corrélation moyenne. Crédit :Paola Cappellaro
La capacité de recueillir ces données expérimentalement dans un laboratoire est une percée, en partie parce que la simulation des systèmes quantiques et des transitions de localisation-thermalisation est extrêmement difficile, même pour les ordinateurs les plus puissants d'aujourd'hui. "L'ampleur du problème devient très vite insoluble, lorsque vous avez des interactions, " dit Cappellaro. " Vous pouvez simuler peut-être 12 rotations en utilisant la force brute, mais c'est à peu près tout, bien moins que ce que le système expérimental est capable d'explorer. "
Les techniques de RMN peuvent révéler l'existence de corrélations entre les spins, car les spins corrélés tournent plus vite sous les champs magnétiques appliqués que les spins isolés. Cependant, les expériences RMN traditionnelles ne peuvent extraire que des informations partielles sur les corrélations. Les chercheurs de QEG ont combiné ces techniques avec leur connaissance de la dynamique de spin dans leur cristal, dont la géométrie confine approximativement l'évolution à des chaînes de spin linéaires.
"Cette approche nous a permis de trouver une métrique, longueur moyenne de corrélation, pour combien de tours sont connectés les uns aux autres dans une chaîne, " dit Cappellaro. " Si la corrélation augmente, il vous dit que l'interaction est gagnante contre le désordre qui cause la localisation. Si la longueur de corrélation cesse de croître, le désordre gagne et maintient le système dans un état localisé plus quantique."
En plus de pouvoir distinguer différents types de localisation (comme la MBL et la localisation plus simple d'Anderson), la méthode représente également une avancée possible vers la capacité de contrôle de ces systèmes par l'introduction de désordre, qui favorise la localisation, Cappellaro ajoute. Parce que MBL préserve les informations et empêche leur brouillage, il a un potentiel pour les applications de mémoire.
L'objectif de la recherche « aborde une question très fondamentale sur les fondements de la thermodynamique, la question de savoir pourquoi les systèmes se thermalisent et même pourquoi la notion de température existe, " dit l'ancien postdoctorant du MIT Iman Marvian, qui est maintenant professeur adjoint dans les départements de physique et de génie électrique et informatique de l'Université Duke. "Au cours des 10 dernières années environ, il y a eu de plus en plus de preuves, des arguments analytiques aux simulations numériques, que même si différentes parties du système interagissent les unes avec les autres, dans la phase MBL, les systèmes ne se thermalisent pas. Et c'est très excitant que nous puissions maintenant observer cela dans une expérience réelle."
"Les gens ont proposé différentes façons de détecter cette phase de la matière, mais ils sont difficiles à mesurer en laboratoire, " explique Marvian. " Le groupe de Paola l'a étudié d'un point de vue nouveau et a introduit des quantités qui peuvent être mesurées. Je suis vraiment impressionné par la façon dont ils ont pu extraire des informations utiles sur la MBL à partir de ces expériences de RMN. C'est un grand progrès, car il permet d'expérimenter le MBL sur un cristal naturel."
La recherche a pu tirer parti des capacités liées à la RMN développées dans le cadre d'une subvention précédente de l'US Air Force, dit Cappellaro, et un financement supplémentaire de la National Science Foundation. Les perspectives de ce domaine de recherche sont prometteuses, Elle ajoute. "Pendant longtemps, la plupart des recherches quantiques à N corps étaient axées sur les propriétés d'équilibre. Maintenant, parce que nous pouvons faire beaucoup plus d'expériences et aimerions concevoir des systèmes quantiques, il y a beaucoup plus d'intérêt pour la dynamique, et de nouveaux programmes consacrés à ce domaine général. J'espère donc que nous pourrons obtenir plus de financement et continuer le travail."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
