Les physiciens de l'EPFL proposent un nouveau « simulateur quantique » :un dispositif à base de laser qui peut être utilisé pour étudier un large éventail de systèmes quantiques. L'étudier, les chercheurs ont découvert que les photons peuvent se comporter comme des dipôles magnétiques à des températures proches du zéro absolu, suivant les lois de la mécanique quantique. Le simulateur simple peut être utilisé pour mieux comprendre les propriétés des matériaux complexes dans des conditions aussi extrêmes.

Soumis aux lois de la mécanique quantique, les systèmes constitués de nombreuses particules en interaction peuvent afficher un comportement si complexe que sa description quantitative défie les capacités des ordinateurs les plus puissants du monde. En 1981, le physicien visionnaire Richard Feynman a fait valoir que nous pouvons simuler un comportement aussi complexe à l'aide d'un appareil artificiel régi par les mêmes lois quantiques - ce qui est connu sous le nom de "simulateur quantique".

Un exemple de système quantique complexe est celui des aimants placés à des températures très basses. Près du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius), les matériaux magnétiques peuvent subir ce qu'on appelle une "transition de phase quantique". Comme une transition de phase conventionnelle (par exemple, la fonte de la glace en eau, ou de l'eau s'évaporant en vapeur), le système bascule toujours entre deux états, sauf que près du point de transition, le système manifeste un enchevêtrement quantique - la caractéristique la plus profonde prédite par la mécanique quantique. L'étude de ce phénomène dans des matériaux réels est une tâche incroyablement difficile pour les physiciens expérimentateurs.

Mais les physiciens dirigés par Vincenzo Savona à l'EPFL ont maintenant mis au point un simulateur quantique qui promet de résoudre le problème. "Le simulateur est un dispositif photonique simple qui peut facilement être construit et exécuté avec les techniques expérimentales actuelles, " dit Riccardo Rota, le postdoctorant du laboratoire de Savona qui a dirigé l'étude. "Mais plus important, il peut simuler le comportement complexe du réel, aimants en interaction à très basse température."

Le simulateur peut être construit à l'aide de circuits supraconducteurs – la même plate-forme technologique utilisée dans les ordinateurs quantiques modernes. Les circuits sont couplés à des champs laser de manière à provoquer une interaction efficace entre les particules lumineuses (photons). "Quand nous avons étudié le simulateur, nous avons constaté que les photons se comportaient de la même manière que les dipôles magnétiques à travers la transition de phase quantique dans les matériaux réels, " dit Rota. En bref, nous pouvons maintenant utiliser des photons pour mener une expérience virtuelle sur des aimants quantiques au lieu d'avoir à mettre en place l'expérience elle-même.

"Nous sommes des théoriciens, " dit Savona. " Nous avons eu l'idée de ce simulateur quantique particulier et avons modélisé son comportement à l'aide de simulations informatiques traditionnelles, ce qui peut être fait lorsque le simulateur quantique s'adresse à un système suffisamment petit. Nos résultats prouvent que le simulateur quantique que nous proposons est viable, et nous sommes maintenant en pourparlers avec des groupes expérimentaux qui aimeraient réellement le construire et l'utiliser."

Naturellement, Rota est ravi :« Notre simulateur peut être appliqué à une large classe de systèmes quantiques, permettant aux physiciens d'étudier plusieurs phénomènes quantiques complexes. C'est une avancée vraiment remarquable dans le développement des technologies quantiques."