Les systèmes quantiques topologiques sont des systèmes physiques présentant des propriétés qui dépendent de la connectivité globale de leur réseau sous-jacent, par opposition aux interactions locales et à leur structure microscopique. Prédire l'évolution de ces systèmes au fil du temps et leurs corrélations quantiques à longue portée est souvent difficile, car leur comportement n'est pas défini par la magnétisation ou d'autres paramètres liés aux interactions locales.
Des chercheurs d'École Polytechnique Fédéral de Lausanne (EPFL) ont récemment simulé un type de matière topologique connue sous le nom de liquide de spin quantique utilisant une nouvelle approche numérique. Cette approche, décrite dans un article publié dans Physique de la naturea été démontré en utilisant un protocole expérimental largement utilisé qui repose sur les atomes de Rydberg (c'est-à-dire les atomes dans lesquels un ou plusieurs électrons sont ravis de produire des états à haute énergie).
« Tout a commencé avec l'étude publiée par Semeghini et al dans laquelle ils ont étudié expérimentalement un liquide de spin topologique », a déclaré Linda Mauron, premier auteur du journal, à Issues.fr. « Cet article était assez important car il a été l'un des premiers à observer un tel état en dehors de la théorie.
« Cependant, nous avons réalisé que toutes les repères numériques, comme pour de nombreuses autres expériences survenant dans les plates-formes d'atomes de Rydberg, n'ont pas réussi à saisir certaines des particularités centrales de la configuration expérimentale et ont donc été potentiellement comparées à tort. »
S'appuyant sur des études de recherche antérieures, Mauron et ses collègues ont décidé de simuler un liquide de spin topologique à l'aide d'un simulateur basé sur l'atome de Rydberg. L'approche qu'ils ont employée, comme plusieurs autres techniques de simulation numérique utilisées dans le passé, repose sur la paramétrisation de l'état quantique que l'on étudie.
« Pour rester simple, au lieu d'apprendre les probabilités de chaque État qui pourrait éventuellement exister (qui, pour un système de n spins, est égal à 2N états à apprendre), nous codant pour l'état quantique avec quelques paramètres qui apprennent plutôt les caractéristiques de l'État « , a expliqué Mauron.
« Dans notre cas spécifique, l'ingrédient clé était de coder directement les corrélations au sein de la fonction d'onde. Il s'agit d'un avantage par rapport à de nombreuses méthodes standard utilisées pour de telles simulations, qui luttent généralement une fois que l'intrication (corrélations quantiques) augmente. »
Enfin, les chercheurs ont utilisé un schéma numérique largement utilisé pour simuler l'évolution de l'état quantique qu'ils étudiaient au fil du temps. Notamment, le schéma qu'ils ont utilisé, connu sous le nom de schéma variationnel de Monte Carlo (T-VMC) dépendant du temps, ne nécessite pas l'approximation de la taille d'un système, la forme de son réseau ou son évolution temporelle.
« Nous avons démontré la capacité de notre approche pour simuler fidèlement un protocole expérimental sur un simulateur d'atomes Rydberg, sans faire d'approximation, tout en étant capable d'équilibrer ce schéma de tailles de système significatives », a déclaré Mauron. « En conséquence directe, notre étude nous permet de tirer des conclusions sur les capacités du protocole simulé. »
En utilisant leur stratégie de simulation numérique, les chercheurs ont pu prédire des valeurs qui ne peuvent pas être dérivées dans des expériences du monde réel, telles que l'entropie topologique d'un système quantique. Il s'agit d'une quantité importante qui peut aider à discerner entre un état quantique véritablement topologique et un état quantique désordonné qui n'est pas commandé topologiquement.
À l'avenir, leur approche proposée pourrait être adaptée et utilisée par d'autres équipes de recherche pour simuler des états de liquide de spin quantique et faire plus de lumière sur leur dynamique sous-jacente.
« Nous nous concentrons maintenant sur la capacité de simuler des dispositifs et protocoles quantiques supplémentaires en utilisant des techniques similaires », a ajouté Mauron. « Nous étudions également davantage les caractéristiques de l'État préparé à travers le protocole décrit ici. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Lisa Lock, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
