Des physiciens de l'ETH Zurich ont développé une nouvelle approche pour coupler les champs de jauge quantifiés à la matière ultrafroide. La méthode pourrait servir de base à une plate-forme polyvalente pour aborder des problèmes allant de la matière condensée à la physique des hautes énergies.

L'interaction entre les champs et la matière est un thème récurrent dans toute la physique. Les cas classiques tels que les trajectoires d'un corps céleste se déplaçant dans le champ gravitationnel des autres ou le mouvement d'un électron dans un champ magnétique sont extrêmement bien compris, et les prédictions peuvent être faites avec une précision étonnante. Cependant, lorsque le caractère quantique des particules et des champs impliqués doit être explicitement pris en compte, puis la situation devient vite complexe. Et si, en outre, le champ dépend de l'état des particules qui y évoluent, alors les calculs peuvent devenir hors de portée, même pour les ordinateurs les plus puissants d'aujourd'hui.

Les limites de l'exploration des régimes d'interaction dynamique entre les champs et la matière entravent les progrès dans des domaines allant de la physique de la matière condensée à la physique des hautes énergies. Mais il existe une approche alternative :au lieu de calculer la dynamique, les simuler. Communément, pour les systèmes planétaires, les modèles mécaniques connus sous le nom d'orreries ont été construits bien avant le développement des ordinateurs numériques. Dans les années récentes, les chercheurs ont développé des simulateurs dits quantiques dans lesquels la dynamique inconnue d'un système quantique est émulée à l'aide d'un autre, un plus contrôlable. Comme ils le rapportent aujourd'hui dans le journal Physique de la nature , Frederik Görg et ses collègues du groupe de Tilman Esslinger du département de physique de l'ETH Zurich ont maintenant fait des progrès substantiels vers des simulateurs quantiques qui pourraient être utilisés pour résoudre des classes générales de problèmes où la dynamique de la matière et des champs sont couplés.

Des résultats difficiles à évaluer

Görg et al. n'a pas regardé directement les champs gravitationnels ou électromagnétiques, mais aux champs dits de jauge. Ce sont des champs auxiliaires qui ne sont généralement pas directement observables dans les expériences, mais d'autant plus puissant comme cadre cohérent pour le traitement mathématique des interactions entre particules et champs. En tant que concept central de la physique, les champs de jauge offrent une voie unique pour comprendre les forces—la force électromagnétique ainsi que celles qui maintiennent ensemble les particules subatomiques. Par conséquent, il y a un intérêt substantiel pour les simulations quantiques de champs de jauge, ce qui pourrait fournir un nouvel éclairage sur des situations qui ne peuvent actuellement pas être explorées dans des calculs ou des simulations informatiques.

L'une des principales plates-formes actuellement utilisées pour simuler des systèmes quantiques complexes est basée sur des atomes refroidis à des températures proches du zéro absolu et piégés dans des structures en réseau créées par la lumière laser. Une avancée majeure ces dernières années a été la réalisation que les atomes peuvent être utilisés pour imiter le comportement des électrons dans un champ magnétique, même si les atomes n'ont pas de charge électrique. La clé pour y parvenir est l'utilisation de paramètres de contrôle externes pour orienter le processus de tunnel quantique par lequel les atomes se déplacent entre les sites adjacents du réseau optique. En adaptant de manière appropriée la phase complexe que les particules quantiques captent lors d'un événement tunnel - connu sous le nom de phase de Peierls - les atomes neutres peuvent être amenés à se comporter précisément comme des particules chargées se déplaçant dans un champ magnétique. La dynamique d'ingénierie dans ces champs de jauge synthétique peut être comparée à celle des orreries classiques, dans lequel les planètes modèles se déplacent comme si elles étaient soumises à une attraction gravitationnelle substantielle d'un corps central, imiter le comportement de planètes réelles.