Un simulateur quantique visualise l’intrication à grande échelle dans les matériaux – Physics World

Des physiciens autrichiens ont trouvé un moyen rapide et efficace d’extraire des informations sur la structure d’intrication à grande échelle d’un matériau quantique grâce à un théorème vieux de 50 ans issu de la théorie quantique des champs. La nouvelle méthode pourrait ouvrir des portes dans des domaines tels que l’information quantique, la chimie quantique ou encore la physique des hautes énergies.

L'intrication quantique est un phénomène par lequel les informations contenues dans un ensemble de particules sont codées dans des corrélations entre elles. Cette information n’est pas accessible en sondant les particules individuellement, et il s’agit d’une caractéristique essentielle de la mécanique quantique, qui distingue clairement le monde quantique du monde classique. En plus d’être essentiel pour l’informatique quantique et la communication quantique, l’intrication influence fortement les propriétés d’une classe émergente de matériaux exotiques. Une compréhension plus approfondie pourrait donc aider les scientifiques à comprendre et à résoudre des problèmes liés à la science des matériaux, à la physique de la matière condensée et au-delà.

Le problème est qu’il est notoirement difficile d’apprendre l’intrication interne d’un grand nombre de particules intriquées, car la complexité des corrélations augmente de façon exponentielle avec le nombre de particules. Cette complexité rend impossible pour un ordinateur classique de simuler des matériaux fabriqués à partir de telles particules. Les simulateurs quantiques sont mieux équipés pour cette tâche, car ils peuvent représenter la même complexité exponentielle que le matériau cible qu’ils simulent. Cependant, l’extraction des propriétés d’intrication d’un matériau avec des techniques standards nécessite encore un nombre extrêmement important de mesures.

Simulateur quantique

Dans leur nouvelle méthode plus efficace pour évaluer la force de l’intrication d’un système, des chercheurs de l’Université d’Innsbruck et de l’Institut voisin d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) ont interprété la force de l’intrication en termes de température locale. Alors que les régions fortement intriquées du matériau quantique apparaissent « chaudes » dans cette méthode, les régions faiblement intriquées apparaissent « froides ». Fondamentalement, la forme exacte de ce champ de température variable localement est prédite par la théorie quantique des champs, permettant à l’équipe de mesurer les profils de température plus efficacement qu’avec les méthodes précédentes.

Pour simuler un matériau quantique intriqué, l'équipe d'Innsbruck-IQOQI a utilisé un système de 51 ⁴⁰Ca⁺ ions maintenus en place à l’intérieur d’une chambre à vide par le champ électrique oscillant d’un dispositif appelé piège de Paul linéaire. Cette configuration permet de contrôler chaque ion individuellement et de lire son état quantique avec une grande précision. Les chercheurs ont pu déterminer rapidement les bons profils de température en plaçant une boucle de rétroaction entre le système et un ordinateur (classique) qui génère constamment de nouveaux profils et les compare avec les mesures réelles de l'expérience. Ils ont ensuite effectué des mesures pour extraire des propriétés telles que l’énergie du système. Enfin, ils ont étudié la structure interne des états du système en étudiant les profils de « température », ce qui leur a permis de déterminer l’intrication.

Régions chaudes et froides

Les profils de température obtenus par l’équipe montrent que les régions fortement corrélées aux particules environnantes peuvent être considérées comme « chaudes » (c’est-à-dire fortement intriquées) et celles qui interagissent très peu peuvent être considérées comme « froides » (faiblement intriquées). Les chercheurs ont également confirmé, pour la première fois, les prédictions de la théorie quantique des champs adaptée aux états fondamentaux (ou états à basse température) des matériaux via le théorème de Bisognano-Wichmann, proposé pour la première fois en 1975 pour relier certaines transformations de Lorentz. dans l'espace-temps aux transformations en charge, parité et temps. De plus, la méthode leur a permis de visualiser le passage des états fondamentaux faiblement intriqués aux états excités fortement intriqués du matériau quantique.

Chef d'équipe Pierre Zoller, qui occupe des postes à Innsbruck et à l'IQOQI, affirme que les résultats et les techniques (protocoles quantiques exécutés sur un simulateur quantique) utilisés pour les obtenir sont généralement applicables à la simulation de matériaux quantiques. Pour cette raison, il estime qu’ils revêtent une grande importance pour la science et la technologie de l’information quantique ainsi que pour la simulation quantique. "Pour les expériences futures, nous aimerions faire cela avec d'autres plates-formes et des systèmes modèles plus compliqués/intéressants", explique-t-il. Monde de la physique. «Nos outils et techniques sont très généraux.»

L'enchevêtrement devient chaud et désordonné

Marcello Dalmonte, un physicien du Centre international Abdus Salam de physique théorique en Italie qui n'a pas participé à la recherche, qualifie les résultats de « véritable innovation ». Selon lui, la méthode amène notre compréhension expérimentale de l’intrication à un nouveau niveau en dévoilant toute sa complexité. Il pense également que cette technique améliorera notre compréhension de la relation entre l'intrication et les phénomènes physiques, et est enthousiasmé par la possibilité de l'utiliser pour résoudre des questions clés en physique théorique, comme par exemple parvenir à une meilleure compréhension de la structure d'intrication des opérateurs pour les états mixtes. Un autre domaine possible à explorer pourrait être l’enchevêtrement mutuel entre des morceaux de matière, bien que Dalmonte ajoute que cela nécessiterait de nouvelles améliorations du protocole, notamment en renforçant son évolutivité.

La recherche est décrite dans Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/