Les physiciens ont développé une méthode de simulation quantique qui peut "virtuellement refroidir" un système quantique expérimental à une fraction de sa température réelle. La méthode pourrait potentiellement permettre d'accéder à des phénomènes de très basse température, telles que des formes inhabituelles de supraconductivité, qui n'ont jamais été observés auparavant. La simulation consiste à préparer plusieurs copies de l'état quantique du système, interférer avec les États, et faire des mesures sur chaque exemplaire, ce qui donne finalement une mesure simulée sur le même système à une température plus basse.

L'équipe de physiciens, Jordan Cotler à l'Université de Stanford et coauteurs, a publié un article sur la méthode de refroidissement virtuel quantique dans un récent numéro de Examen physique X .

Comme l'ont expliqué les chercheurs, les résultats sont basés sur l'idée qu'il existe un lien étroit entre la température et l'intrication quantique.

"Une perspective moderne en physique est que la température est une propriété émergente de l'intrication quantique, " Cotler a dit Phys.org . "En d'autres termes, certains modèles d'intrication quantique donnent naissance à la notion familière de température. En manipulant délibérément le modèle d'intrication dans un système, nous pouvons accéder à des températures plus basses. Alors que ces idées remarquables étaient auparavant comprises théoriquement, nous avons trouvé comment les mettre en œuvre expérimentalement.

Les futures réalisations expérimentales de la technique de refroidissement virtuel pourraient permettre aux chercheurs de mesurer la température de manière apparemment impossible.

« Nous pourrons peut-être utiliser le refroidissement virtuel quantique pour « traverser » ce qu'on appelle des transitions de phase à température finie, " dit Cotler. " Cela semble assez bizarre - ce serait comme prendre deux verres d'eau liquide, et en faisant une mesure quantique, vous apprenez les propriétés de la glace solide. Remarquablement, cela semble possible en principe, mais en pratique, nous devons utiliser des systèmes plus faciles à contrôler que l'eau. Néanmoins, nous pouvons encore être en mesure de préparer un système en une seule phase, et utilisez le refroidissement virtuel quantique pour sonder une phase différente qui ne se produit qu'à une température plus basse."

Comment ça fonctionne

La méthode de refroidissement virtuel est conçue pour fonctionner sur un type de système appelé système quantique à N corps fortement corrélé. Un exemple d'un tel système est un système d'atomes ultrafroids piégés par une grille de lasers appelée "réseau optique". Les atomes peuvent sauter d'un point de grille à un autre et interagir les uns avec les autres. Les systèmes quantiques à plusieurs corps fortement corrélés comme les atomes piégés ultrafroids sont théoriquement prédits pour révéler un comportement intéressant à des températures ultrafroides. Malheureusement, bon nombre des phénomènes de basse température prédits n'ont jamais été observés en raison de la difficulté de se refroidir à de telles températures froides.

Une approche récemment développée pour le refroidissement consiste à utiliser un simulateur quantique - un système physique composé d'atomes, photons, points quantiques, ou un autre objet physique, qui est utilisé pour modéliser un autre système physique qui n'est pas aussi bien compris. Dans le simulateur quantique présenté dans le nouvel article, les atomes à une certaine température accessible sont utilisés pour modéliser des atomes à une température plus froide, température traditionnellement inaccessible. En d'autres termes, un système quantique est utilisé pour simuler un sous-ensemble de lui-même à une température plus basse. En raison de leurs propriétés quantiques, les simulateurs quantiques peuvent effectuer certaines tâches comme celle-ci qui sont hors de portée des ordinateurs classiques, qui ne peut pas tirer parti de l'intrication et de la superposition quantiques.

L'un des éléments clés du nouveau simulateur est qu'il n'y a aucun refroidissement physique réel impliqué. Au lieu, le refroidissement virtuel est obtenu en interférant de nombreux atomes, mesurer ces atomes, puis traiter les données de mesure. Démontrer, les physiciens ont utilisé la méthode pour simuler des mesures de la densité d'atomes dans ce qu'on appelle un "modèle Bose-Hubbard, " qui spécifie certains types d'interactions entre les atomes. La procédure de base consiste à préparer deux ou plusieurs copies identiques de l'état quantique à plusieurs atomes dans différents emplacements physiques (ici, les réseaux optiques). Ensuite, un effet tunnel quantique est induit entre les copies, ce qui permet des interférences atomiques entre eux. Finalement, le nombre d'atomes occupant chaque site est mesuré pour chaque site du réseau, ce qui se fait à l'aide d'un microscope à gaz quantique.

Après avoir répété plusieurs fois la procédure à la température réelle, puis en prenant la moyenne, la méthode donne la densité locale d'atomes à une température réduite de T / m , où T est la température réelle du système et m est le nombre d'exemplaires utilisés. Dans la démonstration initiale, les chercheurs ont utilisé deux copies, qui permettait d'accéder au système à la moitié de sa température d'origine. Ces résultats expérimentaux correspondaient étroitement aux prédictions théoriques.

Alors que la méthode permet théoriquement au système d'être virtuellement refroidi jusqu'à son état fondamental, c'est à dire., l'état de température zéro, en pratique, la quantité de refroidissement est limitée par les difficultés de mise à l'échelle impliquées dans la mesure de plusieurs copies du système avec une précision suffisamment élevée. Toujours, en raison du fait qu'aucun refroidissement physique n'est impliqué, les chercheurs s'attendent à ce que la méthode de simulation puisse être utilisée pour réduire virtuellement la température d'un système quantique après que toutes les méthodes de refroidissement physiques aient été utilisées, il pourrait donc fournir un refroidissement supplémentaire pour toute autre méthode.

Des plans futurs sympas

À l'avenir, les physiciens prévoient d'étendre davantage l'approche pour étendre le refroidissement virtuel quantique afin de mesurer des propriétés plus complexes. Alors que la configuration actuelle a été conçue pour mesurer uniquement la densité atomique à basse température, les physiciens ont développé une approche de refroidissement alternative pour mesurer d'autres propriétés. Cette approche utilise des qubits dans un circuit quantique, similaire aux protocoles de purification d'enchevêtrement.

Les chercheurs espèrent également appliquer le refroidissement virtuel quantique pour étudier des phénomènes à basse température tels que la supraconductivité des ondes d, un type de supraconductivité à haute température, qui n'est pas aussi bien comprise que la supraconductivité à basse température.

"En ce qui concerne la supraconductivité en onde d, il serait intéressant de l'observer comme une phase à basse température du modèle de Fermion-Hubbard, qui peut être réalisé expérimentalement en laboratoire, " dit Cotler. " Tiens, « modèle de Fermion-Hubbard » est le jargon de la physique pour un système avec des types spécifiques d'interactions, et avec des particules constitutives que sont les fermions (dont les électrons sont un exemple bien connu).

"Vous pourriez demander, pourquoi cet ensemble particulier d'interactions est-il intéressant, et pourquoi se soucier de l'observation d'une phase supraconductrice d'onde d à basse température ? Il y a plusieurs raisons. L'une est que le modèle de Fermion-Hubbard est un bon système d'un point de vue théorique, et cela peut donner un aperçu de systèmes plus complexes que nous observons soit dans la nature, ou voulez ingénieur.

"Toutefois, il est difficile de comprendre la supraconductivité à basse température dans le système - les équations sont trop dures, et simuler le système sur un ordinateur est presque impossible, même si nous avons un supercalculateur. Une approche consiste à simuler le modèle de Fermion-Hubbard sur un ordinateur quantique, mais nous n'en avons pas encore qui puisse le faire. Au lieu, nous pouvons construire un modèle Fermion-Hubbard en labo, et explorez ses propriétés à basse température en le refroidissant. En d'autres termes, nous n'avons pas besoin d'un ordinateur quantique car nous construisons en fait le système souhaité en laboratoire. Mais maintenant, le problème est en fait de refroidir le système expérimental à des températures suffisamment basses pour que vous puissiez voir une phase supraconductrice. Ceci est actuellement hors de portée, mais il semble que le refroidissement virtuel quantique puisse aider."

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