Des chercheurs de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) ont découvert comment l'environnement peut avoir un impact sur des comportements quantiques très sensibles comme la localisation. Leurs découvertes, Publié dans le chaos , pourrait conduire à de futures innovations dans la conception de matériaux supraconducteurs et de dispositifs quantiques, y compris des capteurs super précis.

Technologie quantique, en particulier la détection quantique, promet de mesurer et de capturer notre monde à des niveaux de précision jamais possibles auparavant. Une telle précision a des applications diverses, de l'imagerie médicale plus rapide et plus sensible à l'enregistrement du temps sur les transactions de marché à haute fréquence, et même le développement de capteurs qui peuvent déterminer si le sol sous nos pieds est constitué de roches solides ou d'un réservoir naturel de pétrole et de gaz.

Pourtant, malgré tout son potentiel théorique, un défi pratique considérable demeure lors de la production d'appareils de mesure quantique :contrôler leur réaction à l'environnement. Les vrais appareils sont extrêmement sensibles au bruit, ce qui au mieux réduit leur niveau de précision et au pire conduit à des niveaux d'erreur inacceptables. Lorsqu'il s'agit de fabriquer des capteurs ultra-précis, un tel bruit pourrait submerger tous les signaux utiles.

Comprendre comment les appareils quantiques réagissent au bruit aiderait les chercheurs à trouver de nouvelles façons de les protéger du bruit, rendre les nouvelles technologies de mesure et de détection plus réalisables. Au-delà d'augmenter leur précision, les chercheurs pourraient même conférer de nouvelles propriétés aux dispositifs quantiques. « Si vous pouviez régler la quantité de bruit que ces appareils ressentent, vous pouvez les faire fonctionner très différemment et obtenir un appareil encore plus intéressant, " a expliqué le professeur agrégé Dario Poletti de SUTD, qui a dirigé l'étude.

Par exemple, les scientifiques savent depuis des décennies qu'un désordre dans un système peut provoquer un phénomène appelé localisation, où un système est "bloqué" dans son état initial. D'autre part, lorsque les particules d'un système interagissent fortement les unes avec les autres, il y a une possibilité qu'ils peuvent devenir « décollés, ' C'est, délocalisé.

Pour étudier ce bras de fer entre désordre et interaction, Poletti et Ph.D. l'étudiant Xiansong Xu a ajouté une troisième variable :l'environnement. En commençant par un modèle théorique connu sous le nom de chaîne de spin XXZ, les chercheurs ont montré que l'environnement peut avoir des effets contrastés sur la localisation, en fonction de la force du trouble et de l'interaction dans le système.

Effectuer des calculs numériques sur le modèle, les chercheurs ont découvert que la mise en contact du système avec un environnement dissipatif tel qu'un bain de photons le poussait vers la délocalisation et le rendait plus mobile, fluide et uniforme, comme l'eau.

Surtout, ils ont également constaté que même si les systèmes à interaction faible et forte montraient encore des signes de localisation, les types de localisation étaient étonnamment différents :une plus granuleuse et collée, comme du sable, et l'autre, plus uniforme tout en restant coincé, comme de la glace.

Cette découverte théorique suggère que les propriétés de certains matériaux peuvent être ajustées par des changements dans l'environnement extérieur. Par exemple, les chercheurs pourraient être capables de transformer un matériau d'isolant en conducteur en l'éclairant ou de transformer le matériau d'un type d'isolant en un autre, avec des applications qui vont au-delà des technologies quantiques à la science des matériaux et à la nanoélectronique.

"Il existe déjà des dispositifs quantiques, et nous en verrons probablement de plus en plus, " Poletti a déclaré. " Les appareils ne sont jamais vraiment isolés de leur environnement, nous aimerions donc mieux comprendre comment ils peuvent fonctionner en conjonction avec l'environnement."

« Maintenant, la quête consiste à creuser plus profondément et à rechercher différents systèmes, ou aller vers de vrais matériaux et voir ce qui peut s'y passer d'autre, " a-t-il ajouté. " Ce genre de recherche se fait sur de nombreuses années. Nous essayons d'acquérir des connaissances et des outils fondamentaux pour qu'en fin de compte, l'industrie peut prendre le relais."