Les systèmes quantiques peuvent exister dans de nombreux états possibles, ici illustré par des groupes de vrilles, chacun pointant dans une certaine direction. La thermalisation se produit lorsqu'un système explore uniformément toutes les configurations autorisées. Au lieu, lorsqu'une "cicatrice quantique" se forme (comme le montre la figure), certaines configurations apparaissent comme spéciales. Cette caractéristique permet aux systèmes marqués de conserver la mémoire de l'état initial malgré la thermalisation. Crédit :Zlatko Papic, Université de Leeds
De nouvelles recherches donnent un aperçu d'une expérience récente qui a permis de manipuler un nombre sans précédent d'atomes grâce à un simulateur quantique. Cette nouvelle théorie pourrait fournir une autre étape sur la voie de la création des ordinateurs quantiques insaisissables.
Une équipe internationale de chercheurs, dirigé par l'Université de Leeds et en coopération avec l'Institute of Science and Technology Austria et l'Université de Genève, a fourni une explication théorique du comportement particulier des atomes individuels qui ont été piégés et manipulés dans une expérience récente de l'Université Harvard et du MIT. L'expérience a utilisé un système de lasers finement réglés pour agir comme des "pinces optiques" pour assembler une chaîne remarquablement longue de 51 atomes.
Lorsque la dynamique quantique de la chaîne atomique a été mesurée, il y avait des oscillations surprenantes qui duraient beaucoup plus longtemps que prévu et qui ne pouvaient être expliquées.
Co-auteur de l'étude, Dr Zlatko Papic, Maître de conférences en physique théorique à Leeds, a déclaré:"L'expérience précédente de Harvard-MIT a créé des oscillations étonnamment robustes qui ont maintenu les atomes dans un état quantique pendant une période prolongée. Nous avons trouvé ces oscillations plutôt déroutantes car elles suggéraient que les atomes étaient en quelque sorte capables de "se souvenir" de leur configuration toujours en mouvement chaotique.
"Notre objectif était de comprendre plus généralement d'où pouvaient provenir de telles oscillations, puisque les oscillations signifient une sorte de cohérence dans un environnement chaotique - et c'est précisément ce que nous attendons d'un ordinateur quantique robuste. Nos travaux suggèrent que ces oscillations sont dues à un nouveau phénomène physique que nous avons appelé « cicatrice quantique à plusieurs corps ».
Dans la vie de tous les jours, les particules rebondiront les unes sur les autres jusqu'à ce qu'elles explorent tout l'espace, s'installer finalement dans un état d'équilibre. Ce processus est appelé thermalisation. Une cicatrice quantique se produit lorsqu'une configuration ou une voie spéciale laisse une empreinte sur l'état des particules qui les empêche de remplir tout l'espace. Cela empêche les systèmes d'atteindre la thermalisation et leur permet de conserver certains effets quantiques.
En bas on peut voir 10 atomes osciller entre l'état fondamental (noir) et l'état excité (blanc). Comme il s'agit d'un système quantique, les atomes peuvent être simultanément dans la superposition de toutes les 47 configurations possibles. Le graphique du haut montre les différentes probabilités de ces configurations individuelles au fil du temps. Crédit :IST Autriche/Maksym Serbie
Le Dr Papic a déclaré :« Nous apprenons que la dynamique quantique peut être beaucoup plus complexe et complexe que la simple thermalisation. L'avantage pratique est que des périodes prolongées d'oscillations sont exactement ce qui est nécessaire si les ordinateurs quantiques doivent devenir une réalité. Les informations traitées et stockées sur ces ordinateurs dépendra du maintien des atomes dans plus d'un état à tout moment, c'est une bataille constante pour empêcher les particules de s'installer dans un équilibre."
Dans le système quantique, une carte de probabilité remplace la balle, mais le chaos et la mémoire des trajectoires classiques existent aussi. Crédit :IST Autriche/Maksym Serbie
Auteur principal de l'étude, Christophe Turner, chercheur doctorant à l'École de physique et d'astronomie de Leeds, a déclaré:"Les théories précédentes impliquant des cicatrices quantiques ont été formulées pour une seule particule. Notre travail a étendu ces idées à des systèmes qui contiennent non pas une mais plusieurs particules, qui sont tous enchevêtrés les uns avec les autres de manière compliquée. Les cicatrices quantiques à plusieurs corps pourraient représenter une nouvelle voie pour réaliser une dynamique quantique cohérente. »
Balle rebondissant de manière chaotique dans un stade (en haut). S'il démarre à proximité d'une trajectoire instable, il reste proche de cette trajectoire pendant un certain temps mais finit par s'en échapper (en bas). Crédit :IST Autriche/Maksym Serbie
La théorie quantique des cicatrices à plusieurs corps met en lumière les états quantiques qui sous-tendent l'étrange dynamique des atomes dans l'expérience Harvard-MIT. La compréhension de ce phénomène pourrait également ouvrir la voie à la protection ou à l'extension de la durée de vie des états quantiques dans d'autres classes de systèmes quantiques à N corps.
