Croquis du dispositif expérimental Crédit :par Xiao-Ye Xu, Qin-Qin Wang, Markus Heyl, Jan Carl Budich, Wei-Wei Pan, Zhe Chen, Munsif Jan, Kai Soleil, Jin Shi Xu, Yong-Jian Han, Chuan-Feng Li, Guang Can Guo
Les processus dynamiques hors d'équilibre sont centraux dans de nombreux contextes technologiques quantiques. Cependant, il est resté un défi majeur d'identifier des concepts pour leur caractérisation et leur classification, car les états quantiques résultants défient volontairement une description en termes de physique statistique d'équilibre afin de réaliser des états non accessibles par des moyens conventionnels. Les scientifiques ont maintenant réalisé une caractérisation en termes de paramètre d'ordre topologique dynamique pour les marches quantiques, qui représentent une classe paradigmatique de processus hors d'équilibre.
La cohérence en dynamique quantique est au cœur de phénomènes fascinants dépassant le domaine de la physique classique, tels que les effets d'interférence quantique, production d'enchevêtrement et phases géométriques.
Les processus quantiques de nature dynamique inhérente défient une description en termes d'ensemble de physique statistique à l'équilibre. Jusqu'à maintenant, identifier les principes généraux derrière la dynamique quantique unitaire sous-jacente qui préserve la cohérence quantique reste un défi majeur.
Les marches quantiques fournissent une plate-forme puissante et flexible pour réaliser expérimentalement et sonder l'évolution cohérente du temps quantique loin de l'équilibre thermique. Contrairement aux marches aléatoires classiques, les marches quantiques sont caractérisées par des superpositions quantiques d'amplitudes plutôt que par des distributions de probabilité classiques. Ce véritable caractère quantique a déjà été exploité dans divers domaines de la physique, allant de la conception d'algorithmes efficaces en traitement de l'information quantique, observation des dynamiques corrélées et localisation d'Anderson, à la réalisation de phénomènes physiques exotiques dans le contexte des phases topologiques.
Alors que l'ordre topologique peut être récupéré dans l'espace réel, accéder à l'ensemble des informations d'amplitude complexes caractérisant la superposition cohérente reste l'un des principaux défis des expériences de marche quantique.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application , des scientifiques du CAS Key Laboratory of Quantum Information et des collaborateurs internationaux ont rapporté l'observation directe d'un paramètre d'ordre topologique dynamique (DTOP) qui fournit une caractérisation dynamique des marches quantiques.
Mesure expérimentale du DTOP pour l'observation du DQPT Crédit :par Xiao-Ye Xu, Qin-Qin Wang, Markus Heyl, Jan Carl Budich, Wei-Wei Pan, Zhe Chen, Munsif Jan, Kai Soleil, Jin Shi Xu, Yong-Jian Han, Chuan-Feng Li, Guang Can Guo
À cette fin, ils ont réalisé une marche quantique à pas fractionnés dans un système photonique en utilisant le cadre du multiplexage temporel. En utilisant une technique déjà développée, ils ont réalisé une tomographie complète de l'état quantique évolué dans le temps jusqu'à 10 pas de temps complets. Surtout, cela a fourni toutes les informations d'amplitude complexes de l'état de marche quantique.
"C'est essentiel pour notre objectif central d'une classification dynamique de la marche quantique à l'aide du DTOP, puisque le DTOP mesure le nombre d'enroulements de phase _D (t) dans l'espace de quantité de mouvement, à savoir de la soi-disant phase géométrique de Pancharatnam (PGP)".
A partir des résultats expérimentaux, ils ont découvert que les transitions dynamiques entre des classes topologiquement distinctes de marches quantiques peuvent être distinguées de manière unique par le comportement observé en fonction du temps de ω_D (t).
"Pour une trempe entre deux systèmes de même caractère topologique, on trouve ω_D (t)=0 pour tous les pas de temps; au lieu, pour une trempe entre deux systèmes topologiquement différents, ω_D (t) commence également à ω_D (t=0)=0, mais change de façon monotone sa valeur à certains moments critiques, " ont-ils ajouté.
En généralisant ces observations, ils ont en outre établi une relation unique entre le comportement de ω_D (t) et le changement sur un paramètre d'extinction dans les propriétés topologiques d'un hamiltonien de Floquet efficace qui décrit de manière stroboscopique la marche quantique.
Les scientifiques concluent :« De cette façon, nous offrons une perspective de non-équilibre sur les marches quantiques, ce qui peut être compris comme un point de départ pour aborder les processus dépendant du temps sous un angle intrinsèquement dynamique qui va au-delà de la notion de physique statistique de l'équilibre. Avec cela et le mappage sur les quenchs dans un système quantique équivalent à plusieurs corps, notre expérience offre une plate-forme polyvalente pour étudier la dynamique cohérente hors équilibre de nombreux modèles paradigmatiques tels que le modèle Su-Schrieffer-Heeger, la chaîne Kitaev à ondes p, ou le modèle d'Ising à champ transversal dans le futur."
