Les transitions de phase, comme la congélation de l'eau dans la glace, font partie de notre monde. Mais dans les systèmes quantiques, ils peuvent se comporter encore plus dramatiquement, avec des propriétés quantiques telles que l'incertitude de Heisenberg jouant un rôle central. En outre, des effets parasites peuvent faire perdre ou dissiper l'énergie des systèmes. Lorsqu'ils se produisent, ces «transitions de phase dissipatives» (DPT) poussent les systèmes quantiques dans de nouveaux états.
Il existe différents types ou «ordres» de DPT. Les DPT de premier ordre sont comme retourner un interrupteur, provoquant des sauts brusques entre les états. Les DPT de second ordre sont plus lisses mais toujours transformateurs, modifiant l'une des caractéristiques mondiales du système, connues sous le nom de symétrie, de manière subtile mais profonde.
Les DPT sont essentiels pour comprendre comment les systèmes quantiques se comportent dans des conditions non équilibrés, où les arguments basés sur la thermodynamique ne parviennent souvent pas à fournir des réponses. Au-delà de la pure curiosité, cela a des implications pratiques pour construire des ordinateurs et capteurs quantiques plus robustes. Par exemple, les DPT de second ordre pourraient améliorer le stockage des informations quantiques, tandis que les DPT de premier ordre révèlent des mécanismes importants de stabilité et de contrôle du système.
Théoriquement, les DPT devraient afficher des propriétés spécifiques, telles que le ralentissement et la bistabilité, se produisant avec des échelles de loi de puissance spécifiques. Jusqu'à présent, les observer a été un obstacle scientifique majeur, en particulier les obstacles de second ordre.
Mais maintenant, une équipe de chercheurs a fait exactement cela. Dirigés par le professeur Pasquale Scarlino à EPFL, ils ont développé un résonateur Kerr supraconducteur, un appareil aux propriétés quantiques contrôlables, et l'ont conçu pour ressentir un lecteur à deux photons, qui envoie des paires de photons dans le système pour contrôler soigneusement son état quantique et étudier la façon dont il se transforme entre différents phases. L'œuvre est publiée dans Communications de la nature.
En variant systématiquement des paramètres comme le désaccord et l'amplitude de conduite, l'équipe a pu étudier les transitions du système d'un état quantique à un autre. L'approche leur a permis d'observer à la fois un DPT de premier ordre et de second ordre.
Pour garantir la précision, les expériences ont été réalisées à des températures près de zéro absolue, réduisant le bruit de fond à presque rien. Le résonateur Kerr était essentiel car il peut amplifier les effets quantiques qui sont souvent trop subtils à observer. Parce qu'il peut répondre aux signaux à deux photons avec une sensibilité extrême, les chercheurs ont pu l'utiliser pour explorer les transitions de phase avec une précision sans précédent – quelque chose que les configurations traditionnelles ne peuvent tout simplement pas réaliser.
La configuration a permis à l'équipe de surveiller le comportement des photons émis par le résonateur avec des détecteurs ultra-sensibles. En utilisant des techniques mathématiques avancées, comme la connexion avec les propriétés spectrales du superopérateur liouvillien – un outil qui modélise les processus quantiques complexes – les scientifiques ont pu suivre et analyser précisément les transitions de phase du système.
Pour le DPT du second ordre, l'équipe a observé un phénomène appelé «compression», où les fluctuations quantiques tombent à des niveaux inférieurs au bruit de fond naturel de l'espace vide, signalant que le système a atteint un état très sensible et transformateur. Pendant ce temps, le DPT du premier ordre a montré des cycles d'hystérésis distincts, où le système pouvait exister dans deux états en fonction de la façon dont les paramètres ont été réglés.
Deuxièmement, ils ont trouvé des preuves claires d'états métastables au cours du DPT du premier ordre, où le système restait temporairement dans un état stable avant de passer brusquement à un autre. Ce comportement, conduisant à une dépendance de l'état du système à l'égard de son histoire précédente connue sous le nom d'hystérésis, montre comment les DPT du premier ordre impliquent des phases concurrentes.
Enfin, ils ont observé le «ralentissement critique» dans les deux types de transitions, reproduisant la mise à l'échelle attendue obtenue à partir de la considération théorique. Cela démontre finalement la validité des prédictions théoriques basées sur la théorie liouvillienne utilisée par les auteurs. Près des points critiques, la réponse du système a considérablement ralenti, mettant en évidence une caractéristique universelle des transitions de phase qui pourraient être exploitées pour des mesures quantiques plus précises.
La compréhension des DPT ouvre de nouvelles possibilités d'ingénierie des systèmes quantiques à la fois stables et réactifs. Cela pourrait révolutionner les technologies de l'information quantique, telles que la correction d'erreur dans l'informatique quantique ou le développement de capteurs quantiques ultra-sensibles.
Plus largement, cette recherche présente le pouvoir de la collaboration interdisciplinaire – la physique expérimentale, les modèles théoriques avancés et l'ingénierie de pointe pour explorer les frontières de la science.
« En fait, un aspect très intéressant de ce travail est qu'il démontre également à quel point la collaboration entre la théorie et l'expérience peut conduire à des résultats bien plus grands que ce que l'un ou l'autre groupe aurait pu réaliser de manière indépendante », explique Guillaume Beaulieu, le premier auteur du journal.
