Cette image montre le simulateur quantique atomique ultra-froid. Les boules rouges et bleues représentent les atomes fermioniques avec des spins respectivement vers le haut et vers le bas, disposés en quinconce dans l'espace 3D, formant le cristal antiferromagnétique. La cellule en verre fournit l'environnement ultra-vide pour les atomes ultra-froids. Crédit : Lei Chen
Des chercheurs ont observé avec succès une transition de phase antiferromagnétique dans un simulateur quantique, une étape importante vers la compréhension de la physique de la supraconductivité à haute température.
Cette avancée démontre la capacité du simulateur à gérer le modèle fermionique complexe de Hubbard, surpassant les méthodes de calcul actuelles et ouvrant la voie à de nouvelles avancées dans les matériaux quantiques.
Une avancée majeure dans la simulation quantique
Dans une étude publiée le 10 juillet dans NatureUne équipe de recherche dirigée par le professeur Jianwei Pan, le professeur Yuao Chen et le professeur Xingcan Yao de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences a observé pour la première fois la transition de phase antiferromagnétique dans un simulateur quantique à grande échelle du modèle Hubbard fermionique (FHM). Cette étude met en évidence les avantages de la simulation quantique.
Il s’agit d’une première étape importante vers l’obtention du diagramme de phase à basse température du FHM et la compréhension du rôle du magnétisme quantique dans le mécanisme de la supraconductivité à haute température.
Comprendre les supraconducteurs à haute température
Les matériaux quantiques fortement corrélés, tels que les supraconducteurs à haute température, revêtent une importance scientifique et présentent des avantages économiques potentiels. Cependant, les mécanismes physiques sous-jacents à ces matériaux restent flous, ce qui pose des défis pour leur préparation et leur application à grande échelle. Le FHM, une représentation simplifiée des comportements des électrons dans un réseau, capture un large éventail de physique liée à de fortes corrélations, semblables à celles observées dans les matériaux quantiques, et est donc censé offrir potentiellement des solutions pour comprendre le mécanisme de la supraconductivité à haute température.
L’étude du FHM est confrontée à des défis. Il n’existe pas de solution analytique exacte pour ce modèle en deux et trois dimensions, et en raison de la grande complexité de calcul, même les méthodes numériques les plus avancées ne peuvent explorer que des espaces de paramètres limités. De plus, des études théoriques suggèrent que même un ordinateur quantique numérique universel aurait du mal à résoudre ce modèle avec précision.
Progrès dans les techniques de simulation quantique
Il est largement admis que la simulation quantique, utilisant des atomes fermioniques ultra-froids dans des réseaux optiques, peut être la clé pour cartographier le diagramme de phase à basse température du FHM. À cette fin, la réalisation de la transition de phase antiferromagnétique et l'atteinte de l'état fondamental du FHM à mi-remplissage constituent les étapes les plus importantes.
Une telle réalisation validerait deux capacités clés du simulateur quantique : l’établissement d’un réseau optique spatialement homogène à grande échelle pour des paramètres de Hubbard uniformes, et le maintien d’une température du système significativement inférieure à la température de Néel, la température de transition de phase antiferromagnétique, deux éléments essentiels pour explorer le rôle des fluctuations magnétiques quantiques dans le mécanisme de la supraconductivité à haute température.
Cependant, la difficulté de refroidissement des atomes fermioniques et l'inhomogénéité introduite par un laser à réseau à profil gaussien standard ont entravé la réalisation de la transition de phase antiferromagnétique dans les expériences de simulation quantique précédentes. Pour relever ces défis, l'équipe, en s'appuyant sur ses réalisations antérieures dans la préparation et l'étude de gaz de Fermi homogènes à forte interaction dans un potentiel de boîte (Science, Nature), a développé un simulateur quantique avancé en combinant la génération d'un gaz de Fermi homogène à basse température dans un piège à boîte avec la démonstration d'un réseau optique à sommet plat avec des potentiels de site uniformes.
Observations révolutionnaires en mécanique quantique
Ce simulateur quantique contient environ 800 000 sites de réseau, soit environ quatre ordres de grandeur plus grands que les expériences actuelles avec plusieurs dizaines de sites, et présente des paramètres hamiltoniens uniformes avec des températures nettement inférieures à la température de Néel.
En s'appuyant sur cette configuration, l'équipe a ajusté avec précision la force d'interaction, la température et la concentration de dopage pour se rapprocher de leurs valeurs critiques respectives, et a observé directement des preuves concluantes de la transition de phase antiferromagnétique, c'est-à-dire la divergence de la loi de puissance des facteurs de structure de spin, avec un exposant critique de 1,396 à partir de l'universalité de Heisenberg.
Implications et orientations futures
Ces travaux font progresser la compréhension du magnétisme quantique et posent les bases d'une résolution plus poussée du FHM et de l'obtention de son diagramme de phase à basse température. Notamment, les résultats expérimentaux s'écartant de la condition de demi-remplissage ont déjà dépassé les capacités de l'informatique classique actuelle, démontrant les avantages de la simulation quantique pour résoudre des problèmes scientifiques clés.
