Une véritable indiscernabilité de ce type peut modifier fondamentalement le comportement des balles. Par exemple, dans une expérience classique de Hong, Ou et Mandel, deux photons identiques (boules) frappant les côtés opposés d'un miroir semi-réfléchissant sortent toujours du même côté du miroir (dans la même coupe). Cela résulte d’un type particulier d’interférence et non d’une quelconque interaction entre les photons. Avec plus de photons et plus de miroirs, cette interférence devient extrêmement compliquée.

La mesure du motif de photons qui émerge d’un labyrinthe de miroirs donné est connue sous le nom d’« échantillonnage de bosons ». On pense qu’il est impossible de simuler l’échantillonnage de bosons sur un ordinateur classique pour plus de quelques dizaines de photons. En conséquence, des efforts importants ont été déployés pour réaliser de telles expériences avec des photons réels et démontrer qu’un dispositif quantique exécute une tâche informatique spécifique qui ne peut pas être effectuée de manière classique. Cet effort a culminé avec les récentes affirmations d'un avantage quantique utilisant les photons.

Maintenant, dans un article récemment publié dans Nature , Adam Kaufman, physicien du NIST et professeur de physique à Boulder à l'Université du Colorado, et son équipe, ainsi que des collaborateurs du NIST (l'Institut national des normes et de la technologie), ont démontré une nouvelle méthode d'échantillonnage des bosons utilisant des atomes ultrafroids (en particulier des atomes bosoniques). ) dans un réseau optique bidimensionnel de faisceaux laser qui se croisent.

À l’aide d’outils tels que des pinces optiques, des modèles spécifiques d’atomes identiques peuvent être préparés. Les atomes peuvent se propager à travers le réseau avec une perte minimale et leurs positions peuvent être détectées avec une précision presque parfaite après leur voyage. Le résultat est une mise en œuvre de l'échantillonnage des bosons qui représente un pas significatif au-delà de ce qui a été réalisé auparavant, que ce soit dans les simulations informatiques ou avec des photons.

"Les pinces optiques ont permis des expériences révolutionnaires en physique à N corps, souvent pour des études d'atomes à interaction multiple, où les atomes sont coincés dans l'espace et interagissent sur de longues distances", explique Kaufman. "Cependant, une grande classe de problèmes fondamentaux à N corps - appelés systèmes "Hubbard" - surgissent lorsque les particules peuvent à la fois interagir et créer des tunnels, la mécanique quantique se propageant dans l'espace. Au début de la construction de cette expérience, nous avions pour objectif d'appliquer ce paradigme de pince à épiler aux systèmes Hubbard à grande échelle - cette publication marque la première réalisation de cette vision. "

Techniques pour un meilleur contrôle

Pour obtenir ces résultats, les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques de pointe, notamment des pinces optiques (des lasers hautement focalisés capables de déplacer des atomes individuels avec une précision exquise) et des méthodes de refroidissement avancées qui amènent les atomes à une température proche du zéro absolu, minimisant leur mouvement et permettant un refroidissement précis. contrôle et mesure.

De la même manière qu'une loupe crée un point de lumière lorsqu'elle est focalisée, les pinces optiques peuvent maintenir des atomes individuels dans de puissants faisceaux de lumière, leur permettant d'être déplacés avec une extrême précision. À l’aide de ces pinces, les chercheurs ont préparé des modèles spécifiques comprenant jusqu’à 180 atomes de strontium dans un réseau de 1 000 sites, formés par des faisceaux laser croisés qui créent un motif en forme de grille de puits d’énergie potentielle pour piéger les atomes. Les chercheurs ont également utilisé des techniques sophistiquées de refroidissement laser pour préparer les atomes, garantissant qu'ils restent dans leur état d'énergie le plus bas, réduisant ainsi le bruit et la décohérence, des défis courants dans les expériences quantiques.

Shawn Geller, physicien au NIST, a expliqué que le refroidissement et la préparation garantissaient que les atomes étaient aussi identiques que possible, en supprimant toutes les étiquettes, telles que les états internes individualisés ou les états de mouvement, qui pourraient rendre un atome donné différent des autres.

"Ajouter une étiquette signifie que l'univers peut déterminer quel atome est lequel, même si vous ne pouvez pas voir l'étiquette en tant qu'expérimentateur", explique le premier auteur et ancien étudiant diplômé du JILA, Aaron Young. "La présence d'une telle étiquette transformerait ce problème d'échantillonnage absurdement difficile en un problème complètement trivial."

Une question de mise à l'échelle

Pour la même raison que l’échantillonnage des bosons est difficile à simuler, il n’est pas possible de vérifier directement que la tâche d’échantillonnage correcte a été effectuée pour les expériences avec 180 atomes. Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont échantillonné leurs atomes à différentes échelles.

Selon Young, « nous effectuons des tests avec deux atomes, où nous comprenons très bien ce qui se passe. Ensuite, à une échelle intermédiaire où nous pouvons encore simuler des choses, nous pouvons comparer nos mesures à des simulations impliquant des modèles d'erreur raisonnables pour notre expérience. échelle, nous pouvons continuellement faire varier la difficulté de la tâche d'échantillonnage en contrôlant le degré de distinction des atomes et confirmer que rien de dramatique ne se passe."

Geller ajoute :"Ce que nous avons fait, c'est développer des tests qui utilisent la physique que nous connaissons pour expliquer ce que nous pensons se produire."

Grâce à ce processus, les chercheurs ont pu confirmer la haute fidélité de la préparation des atomes et l'évolution ultérieure des états quantiques des atomes par rapport aux démonstrations précédentes d'échantillonnage de bosons. En particulier, la très faible perte d'atomes par rapport aux photons au cours de l'évolution des atomes exclut les techniques informatiques modernes qui remettent en question les précédentes démonstrations d'avantages quantiques.

La préparation, l’évolution et la détection programmables et de haute qualité des atomes dans un réseau démontrées dans ce travail peuvent être appliquées dans la situation où les atomes interagissent. Cela ouvre de nouvelles approches pour simuler et étudier le comportement de matériaux quantiques réels et par ailleurs mal compris.

"L'utilisation de particules sans interaction nous a permis d'amener ce problème spécifique de l'échantillonnage des bosons à un nouveau régime", explique Kaufman. "Pourtant, bon nombre des problèmes les plus intéressants sur le plan physique et les plus difficiles en termes de calcul surviennent avec des systèmes constitués de nombreuses particules en interaction. À l'avenir, nous espérons que l'application de ces nouveaux outils à de tels systèmes ouvrira la porte à de nombreuses expériences passionnantes."