Les chercheurs de la TU Wien ont innové en matière de technique de refroidissement pour les expériences quantiques en contrôlant les fluctuations d'un condensat de Bose-Einstein, améliorant ainsi considérablement les simulateurs quantiques pour l'étude de la physique quantique complexe.
Des expériences quantiques plus stables sont rendues possibles à la TU Wien grâce à de nouvelles astuces – en divisant ingénieusement les condensats de Bose-Einstein
Les expériences quantiques, qu’elles portent sur les ordinateurs quantiques, la téléportation quantique ou les nouveaux capteurs quantiques, sont constamment confrontées à un défi commun : les effets quantiques sont très fragiles et facilement perturbés. Ils sont extrêmement sensibles aux perturbations extérieures, par exemple aux fluctuations simplement dues à la température ambiante. Il est donc important de pouvoir refroidir le plus efficacement possible les expériences quantiques.
À la TU Wien (Vienne), il a été démontré que ce type de refroidissement peut être réalisé d'une nouvelle manière intéressante : un condensat de Bose-Einstein est divisé en deux parties, ni brusquement ni particulièrement lentement, mais avec une dynamique temporelle très spécifique. cela garantit que les fluctuations aléatoires sont évitées aussi parfaitement que possible. De cette manière, la température pertinente dans le condensat Bose-Einstein déjà extrêmement froid peut être considérablement réduite. Ceci est important pour les simulateurs quantiques, qui sont utilisés à la TU Wien pour mieux comprendre les effets quantiques qui n'auraient pas pu être étudiés à l'aide des méthodes précédentes.
Simulateurs quantiques
«Nous travaillons avec des simulateurs quantiques dans nos recherches», explique Maximilian Prüfer, qui recherche de nouvelles méthodes à l'Institut atomique de la TU Wien avec l'aide d'une subvention Esprit de la FWF. « Les simulateurs quantiques sont des systèmes dont le comportement est déterminé par des effets de la mécanique quantique et qui peuvent être particulièrement bien contrôlés et surveillés. Ces systèmes peuvent donc être utilisés pour étudier des phénomènes fondamentaux de la physique quantique qui se produisent également dans d’autres systèmes quantiques, qui ne peuvent pas être étudiés aussi facilement. »
Tiantian Zhang et Maximilian Prüfer. Crédit : TU Vienne
Cela signifie qu’un système physique est utilisé pour réellement apprendre quelque chose sur d’autres systèmes. Cette idée n’est pas entièrement nouvelle en physique : par exemple, on peut aussi faire des expériences avec des vagues d’eau afin d’en apprendre davantage sur les ondes sonores – mais les vagues d’eau sont plus faciles à observer.
«En physique quantique, les simulateurs quantiques sont devenus ces dernières années un outil extrêmement utile et polyvalent», explique Maximilian Prüfer. « Parmi les outils les plus importants pour réaliser des systèmes modèles intéressants figurent les nuages d'atomes extrêmement froids, tels que ceux que nous étudions dans notre laboratoire. » Dans l'article actuel publié dans Examen physique X, les scientifiques dirigés par Jörg Schmiedmayer et Maximilian Prüfer ont étudié comment l'intrication quantique évolue au fil du temps et comment celle-ci peut être utilisée pour atteindre un équilibre de température encore plus froid qu'auparavant. La simulation quantique est également un sujet central du cluster d'excellence QuantA récemment lancé, dans lequel divers systèmes quantiques sont étudiés.
Plus il fait froid, mieux c'est
Le facteur décisif qui limite actuellement l’adéquation de tels simulateurs quantiques est leur température : « Mieux nous refroidissons les degrés de liberté intéressants du condensat, mieux nous pouvons travailler avec lui et plus nous pouvons en tirer des leçons. » dit Maximilian Prüfer.
Il existe différentes manières de refroidir quelque chose : par exemple, vous pouvez refroidir un gaz en augmentant son volume très lentement. Avec les condensats de Bose-Einstein extrêmement froids, d'autres astuces sont généralement utilisées : les atomes les plus énergétiques sont rapidement éliminés jusqu'à ce qu'il ne reste qu'un ensemble d'atomes, qui ont une énergie assez uniformément faible et sont donc plus froids.
« Mais nous utilisons une technique complètement différente », explique Tiantian Zhang, premier auteur de l'étude, qui a étudié ce sujet dans le cadre de sa thèse de doctorat au Collège doctoral du Centre de Vienne pour les sciences et technologies quantiques. « Nous créons un condensat de Bose-Einstein, puis le divisons en deux parties en créant une barrière au milieu. » Le nombre de particules qui se retrouvent du côté droit et du côté gauche de la barrière est indéterminé. En raison des lois de la physique quantique, il existe ici une certaine incertitude. On pourrait dire que les deux côtés sont dans une superposition physique quantique de différents états de nombre de particules.
« En moyenne, exactement 50 % des particules se trouvent à gauche et 50 % à droite », explique Maximilian Prüfer. « Mais la physique quantique dit qu’il y a toujours certaines fluctuations. Les fluctuations, c'est-à-dire les écarts par rapport à la valeur attendue, sont étroitement liées à la température.
Refroidir en contrôlant les fluctuations
L'équipe de recherche de la TU Wien a pu montrer : ni une division extrêmement brusque ni extrêmement lente du condensat de Bose-Einstein n'est optimale. Il faut trouver un compromis, une manière astucieuse de diviser dynamiquement le condensat, afin de contrôler au mieux les fluctuations quantiques. Cela ne peut pas être calculé : ce problème ne peut pas être résolu avec des ordinateurs conventionnels. Mais grâce à des expériences, l'équipe de recherche a pu montrer : la dynamique de division appropriée peut être utilisée pour supprimer la fluctuation du nombre de particules, ce qui se traduit à son tour par une réduction de la température que l'on souhaite minimiser.
«Différentes échelles de température existent simultanément dans ce système, et nous en abaissons une très spécifique», explique Maximilian Prüfer. « Vous ne pouvez donc pas le considérer comme un mini-réfrigérateur qui devient globalement sensiblement plus froid. Mais ce n’est pas de cela dont nous parlons : supprimer les fluctuations est exactement ce dont nous avons besoin pour pouvoir utiliser notre système comme simulateur quantique encore mieux qu’avant. Nous pouvons désormais l’utiliser pour répondre à des questions de physique quantique fondamentale qui étaient auparavant inaccessibles.
