Les verres de spin sont des systèmes physiques dans lesquels les petits moments magnétiques des particules (c'est-à-dire les spins) interagissent les uns avec les autres de manière aléatoire. Ces interactions aléatoires entre les tours empêchent tous les tours de satisfaire leurs alignements préférés ; une condition connue sous le nom de « frustration ». »
Des chercheurs de l’Université de Stanford ont récemment réalisé un nouveau type de verre de spin, à savoir un verre de spin d’Ising à dissipation entraînée, dans une configuration expérimentale d’électrodynamique quantique à cavité (QED). Leur article, publié dans Lettres d'examen physiqueest le résultat de plus d’une décennie d’études axées sur la création de lunettes de spin avec cavité QED.
« Les lunettes de spin sont un modèle général pour les systèmes complexes, et plus particulièrement pour les réseaux de neurones : les spins servent de neurones connectés par leurs interactions mutuellement frustrantes. » Benjamin Lev, auteur principal de l'article, a déclaré à Issues.fr.
« Nous nous demandons depuis longtemps quel genre de lunettes et de dispositifs informatiques neuromorphiques on pourrait fabriquer en remplaçant les spins classiques par des spins atomiques et en leur permettant d'interagir via des photons. Comment les effets d’optique quantique et d’intrication pourraient-ils améliorer de tels dispositifs ? Notre incursion dans ce domaine a commencé en 2010 avec un document théorique rédigé avec les théoriciens Paul Goldbart et Sarang Gopalakrishnan (maintenant respectivement à Stony Brook et Princeton). »
Une configuration QED à cavité prometteuse
Lors de leurs précédentes études théoriques, Lev et ses collègues avaient identifié une nouvelle configuration prometteuse de QED à cavité, caractérisée par plusieurs modes dégénérés en fréquence. Ils ont réalisé que cette configuration, baptisée QED à cavité multimode, pouvait « câbler » les spins atomiques à un point tel que cela empêcherait leur orientation vers un état vitreux.
« Le nouveau type de cavité QED pourrait être utilisé pour réaliser la mémoire associative, une capacité neuromorphique canonique, » dit Lév.
« Peu de temps après cette réalisation, lors de discussions avec Jonathan Keeling, nous avons découvert qu'une géométrie particulière de cavité « multimode-dégénérée » appelée cavité confocale pourrait rendre le verre de spin réalisable, » expliqua Lév. « Entre-temps, nous avons commencé à construire l'expérience et, dans une série d'articles commençant en 2015, avons comparé chacune des étapes nécessaires pour apprendre comment fonctionne le QED à cavité multimode dans la pratique. »
Après plusieurs années de recherche, les chercheurs ont réussi à arbitrer les interactions de spin dans un verre de spin en exploitant les photons de la cavité dans leur système QED à cavité multimode proposé. Cela a conduit à la réalisation du tout premier verre de spin dans une configuration d’optique quantique.
« Nous avons été les premiers à rapporter l'observation expérimentale directe de la rupture de symétrie des répliques et la structure ultramétrique résultante de verres de spin connectés tout à tous à partir de mesures microscopiques de spin, » dit Lév. « Cependant, nous y sommes parvenus en utilisant une forme étrange de verre de spin : celui des spins XY interagissant comme XX – YY. Pour nous connecter plus directement à la littérature sur les réseaux de neurones, nous avons plutôt voulu créer un verre de spin de forme canonique, c'est-à-dire un verre ayant des spins interagissant avec Ising. »
Notamment, la simple cavité confocale utilisée par l’équipe dans ses expériences précédentes ne leur permettrait pas de concevoir les interactions médiées par les photons nécessaires à la réalisation de ce nouveau type de verre de spin d’Ising. Ils ont collaboré avec Keeling et Rhiannon Lunney, une étudiante de premier cycle qu'il supervisait à l'Université de St. Andrews, pour développer une cavité multimode alternative et exotique.
« Dans un article publié en 2019, nous avons proposé une taxonomie des cavités multimodes formées de deux miroirs, » dit Lév. « Cela nous a permis de montrer que les interactions d'Ising médiées par les photons peuvent être conçues à l'aide d'une configuration de cavité multimode que nous appelons cavité « 4/7 » (pour la structure de mode particulière qui constitue le résonateur). Quelques années plus tard, mon équipe, dirigée par l'ancien étudiant Brendan Marsh, a réglé les miroirs sur cette configuration et a pu réaliser le verre de spin d'Ising décrit dans PRL. »
La réalisation d'un nouveau verre spin d'Ising
Grâce à la nouvelle configuration de cavité multimode qu'ils ont introduite, les chercheurs ont pu réaliser un verre de spin plus simple (c'est-à-dire Ising) qui était trois fois plus grand que le verre de spin d'optique quantique rapporté dans leurs travaux antérieurs. De plus, ils ont démontré l’existence d’une rupture de symétrie des répliques et d’une ultramétricité dans ce système également au niveau microscopique.
« De plus, nous avons triplé la taille du verre de spin par rapport à la taille n = 8 du Science papier à n = 25, » dit Lév. « Il n’était déjà pas possible de simuler numériquement la dynamique d’optique quantique pilotée-dissipative du système n = 8. Cependant, n = 25 éloigne beaucoup plus la simulation exacte du domaine du possible, faisant du système expérimental une plate-forme unique pour explorer la dynamique des systèmes vitreux intrinsèquement hors équilibre, pour lesquels aucune théorie n'existe encore. »
Le verre de spin Ising réalisé par les chercheurs pourrait constituer une plate-forme prometteuse à la fois pour mener des études de recherche et pour développer de nouveaux composants matériels inspirés du cerveau. Récemment, les chercheurs ont utilisé avec succès leur verre de spin pour créer une mémoire dite associative, ce que l'on pensait auparavant impossible avec des systèmes vitreux.
« Cela a été prédit dans nos travaux théoriques antérieurs dirigés par Marsh, et nous avons montré que notre verre de spin peut surpasser la capacité de mémoire du modèle Hopfield classique du fait qu'il est constitué d'atomes et de photons, » dit Lév. « Mais aussi, surprise expérimentale, nous avons découvert que notre verre de spin d'Ising d'optique quantique permet une forme de plasticité d'apprentissage à court terme semblable à ce que les neuroscientifiques suggèrent qui pourrait se produire dans notre cerveau. »
Dans le verre de spin d'Ising réalisé par les chercheurs, les atomes sont fortement couplés les uns aux autres par la lumière à l'intérieur de la cavité multimode et peuvent être déplacés par cette lumière. Les positions changeantes de ces atomes permettent l’émission de motifs lumineux qui représentent les informations stockées depuis la cavité avec une bien plus grande fidélité que si les atomes étaient incapables de bouger.
« Une cavité multimode prend en charge des milliers de modèles spatiaux différents de photons rebondissant entre les deux miroirs, » expliqua Lév. « Les cavités normales n'en supportent qu'un, et cela ressemble généralement à un paquet d'ondes gaussiennes pour les photons transversaux à l'axe de la cavité. Dans une cavité multimode, ces motifs spatiaux se superposent pour former un paquet d'ondes beaucoup plus étroitement localisé pour les photons. Alors que la gaussienne peut avoir une largeur de plusieurs dizaines de microns pour le photon, une cavité multimode prend en charge des modes d'une largeur inférieure à deux microns. »
Une plateforme idéale pour initier des interactions de spin
Le mode local qui peut être réalisé avec la configuration de l'équipe, appelé « synthétique » ou « supermode, » peut inciter les condensats de Bose Einstein (BEC) piégés à l’intérieur de la cavité à se comporter comme une particule collective à rotation ascendante ou descendante. L’équipe a pu réaliser les tours souhaités en tirant parti de ce supermode.
« Au microscope, le « spin » n'est que l'un des deux états en damier – noir ou rouge – d'une onde de densité que forment les atomes du BEC lorsque la lumière provenant du côté de la cavité est projetée sur eux, » précise Lév.
Après avoir réalisé les spins d'Ising, les chercheurs ont dû « câblez-les, » les incitant à interagir les uns avec les autres. La cavité multimode qu’ils ont développée est idéale pour initier ces interactions de spin.
« Ces interactions se produisent naturellement dans une cavité multimode, car en plus de la composante de point étroit des supermodes, les modes s'étalent également un aller-retour sur deux dans la cavité pour éclairer tous les spins à la fois, » dit Lév.
« En fonction de la phase de cette lumière à chaque spin, les spins sont forcés de s'aligner ou de s'anti-aligner avec tous les autres spins. Cette phase peut être aléatoire si les BEC sont espacés du centre de la cavité, ce qui donne un réseau de connectivité de spin dans lequel chaque spin est couplé à chaque autre spin avec un poids signé de manière aléatoire (en raison des phases de lumière aléatoires). »
Les interactions aléatoires de spin qui émergent dans la configuration QED de la cavité de l'équipe aboutissent finalement à la frustration géométrique des états de spin, produisant un verre. La lumière illuminant le système s’échappe alors de la cavité et peut être utilisée pour produire une image, en utilisant la même stratégie que celle utilisée pour créer des hologrammes.
« La phase des spots supermodes émanant de chaque BEC nous indique l'état de « rotation » de ce BEC, » dit Lév. « Cela signifie que nous pouvons lire la configuration de rotation de l'ensemble du réseau lorsqu'il s'organise dans un verre. »
Informer la recherche et le développement de matériel neuromorphique
La capacité de l'équipe à lire la configuration de spin d'un système vitreux dans un système QED à cavité est remarquable, car elle n'a jamais été rapportée auparavant.
« Les principales avancées ici concernent les deux aspects de ce nouvel instrument QED à cavité multimode avec BEC que nous avons créé au cours des dernières années, un microscope à gaz quantique actif, » expliqua Lév. « Cela ressemble aux microscopes à gaz quantiques traditionnels dans la mesure où les optiques à NA élevée (dans notre cas, ce sont des miroirs plutôt que des lentilles) permettent d'imager les gaz atomiques quantiques sur l'échelle de longueur à laquelle ils interagissent, mais en même temps, les miroirs de la cavité réfléchissent les photons sur les atomes pour concevoir les interactions qui déterminent l'organisation du système. En ce sens, c'est actif. »
Les lunettes ne sont généralement pas dans un état d'équilibre, car elles peuvent rester bloquées dans des configurations métastables (c'est-à-dire des états qui peuvent rester stables pendant une longue période mais ne sont pas les états d'énergie les plus faibles d'un système). La configuration à cavité QED développée par les chercheurs permet la réalisation de verres entraînés par des photons et dissipant les photons dans l’environnement, s’étendant ainsi encore plus loin d’un état d’équilibre.
La nouvelle plateforme expérimentale introduite par Lev et ses collègues pourrait bientôt faire progresser l’étude des verres de spin, apportant potentiellement un nouvel éclairage sur leur physique sous-jacente et sur la manière dont ils se forment. En outre, les chercheurs prévoient d’explorer le potentiel du verre de spin Ising à dissipation entraînée présenté dans leur article pour le développement de technologies inspirées du cerveau.
« Nous avons découvert une toute nouvelle forme de verre spinné qui n'a jamais été explorée auparavant, même en théorie, » ajouta Lév. « Nos travaux nous permettent désormais de nous poser des questions sur ses propriétés et capacités uniques pour le calcul neuromorphique. Nous nous efforçons également de faire en sorte que les spins se comportent de manière plus quantique afin de pouvoir créer et explorer un verre de spins intriqués quantiquement. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Stephanie Baum, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
