QUIONE ouvre le domaine quantique grâce à la microscopie pionnière au strontium

QUIONE, un microscope à gaz quantique unique développé par des chercheurs de l'ICFO en Espagne, utilise le strontium pour simuler des systèmes quantiques complexes et explorer les matériaux au niveau atomique. Il vise à résoudre des problèmes dépassant les capacités informatiques actuelles et a déjà démontré des phénomènes tels que la superfluidité.

La physique quantique a besoin de techniques de détection de haute précision pour approfondir les propriétés microscopiques des matériaux. Parmi les processeurs quantiques analogiques apparus récemment, les microscopes à gaz quantiques se sont révélés être des outils puissants pour comprendre les systèmes quantiques au niveau atomique. Ces appareils produisent des images de gaz quantiques à très haute résolution : ils permettent de détecter des atomes individuels.

Développement de QUIONE

Aujourd'hui, les chercheurs de l'ICFO (Barcelone, Espagne) Sandra Buob, Jonatan Höschele, le Dr Vasiliy Makhalov et le Dr Antonio Rubio-Abadal, dirigés par le professeur ICREA à l'ICFO Leticia Tarruell, expliquent comment ils ont construit leur propre microscope à gaz quantique, nommé QUIONE. d'après la déesse grecque de la neige. Le microscope à gaz quantique du groupe est le seul au monde à imager des atomes individuels de gaz quantiques de strontium, ainsi que le premier du genre en Espagne.

Au-delà des images percutantes dans lesquelles des atomes individuels peuvent être distingués, l'objectif de QUIONE est la simulation quantique. Comme l'explique le professeur Leticia Tarruell de l'ICREA : « La simulation quantique peut être utilisée pour résumer des systèmes très complexes en modèles plus simples afin de comprendre ensuite des questions ouvertes auxquelles les ordinateurs actuels ne peuvent pas répondre, comme par exemple pourquoi certains matériaux conduisent l'électricité sans aucune perte, même à des températures relativement élevées. »

Les recherches du groupe de l'ICFO dans ce domaine ont reçu un soutien au niveau national (prix de la Société Royale Espagnole de Physique, et projets et subventions de la Fondation BBVA, de la Fondation Ramón Areces, de la Fondation La Caixa et de la Fondation Cellex) et européen. niveau (y compris un projet ERC). De plus, QUIONE est cofinancé par le Gouvernement de Catalogne, à travers le Secrétariat des Politiques Numériques du Département de l'Entreprise et du Travail, dans le cadre de l'engagement du Gouvernement Catalan à promouvoir les technologies quantiques.

La singularité de cette expérience réside dans le fait qu'ils ont réussi à amener le strontium gazeux au régime quantique, à le placer dans un réseau optique où les atomes pourraient interagir par collisions puis à appliquer l'équation unique atome techniques d'imagerie. Ces trois ingrédients rendent le microscope à gaz quantique au strontium de l'ICFO unique en son genre.

Pourquoi le Strontium ?

Jusqu'à présent, ces configurations de microscope reposaient sur des atomes alcalins, comme le lithium et le potassium, qui ont des propriétés plus simples en termes de spectre optique par rapport aux atomes alcalino-terreux comme le strontium. Cela signifie que le strontium offre davantage d’ingrédients avec lesquels jouer dans ces expériences.

En effet, ces dernières années, les propriétés uniques du strontium en ont fait un élément très prisé pour des applications dans les domaines de l'informatique quantique et la simulation quantique. Par exemple, un nuage d’atomes de strontium peut être utilisé comme processeur quantique atomique, ce qui pourrait résoudre des problèmes dépassant les capacités des ordinateurs classiques actuels.

Dans l’ensemble, les chercheurs de l’ICFO ont vu un grand potentiel pour la simulation quantique dans le strontium et se sont mis au travail pour construire leur propre microscope à gaz quantique. C'est ainsi qu'est né QUIONE.

QUIONE, un simulateur quantique de cristaux réels

À cette fin, ils ont d’abord abaissé la température du strontium gazeux. En utilisant la force de plusieurs faisceaux laser, la vitesse des atomes peut être réduite jusqu'à un point où ils restent presque immobiles, bougeant à peine, réduisant ainsi leur température à presque zéro absolu en seulement quelques millisecondes. Ensuite, les lois de la mécanique quantique régissent leur comportement et les atomes présentent de nouvelles caractéristiques telles que la superposition et l’intrication quantiques.

Après cela, à l’aide de lasers spéciaux, les chercheurs ont activé le réseau optique, qui maintient les atomes disposés dans une grille le long de l’espace. « Vous pouvez l’imaginer comme une boîte à œufs, où les différents sites sont en fait l’endroit où vous mettez les œufs. Mais au lieu d’œufs, nous avons des atomes et au lieu d’un carton, nous avons le réseau optique », explique Sandra Buob, première auteure de l’article.

Les atomes dans le coquetier interagissaient les uns avec les autres, subissant parfois un tunnel quantique pour se déplacer d'un endroit à un autre. Cette dynamique quantique entre atomes imite celle des électrons dans certains matériaux. L’étude de ces systèmes peut donc aider à comprendre le comportement complexe de certains matériaux, ce qui est l’idée clé de la simulation quantique.

Dès que le gaz et le réseau optique furent prêts, les chercheurs prirent les images avec leur microscope et purent enfin observer leur gaz quantique de strontium atome par atome. A cette époque, la construction de QUIONE était déjà un succès, mais ses créateurs voulaient en tirer encore plus.

Ainsi, en plus des images, ils ont pris des vidéos des atomes et ont pu observer que, même si les atomes devaient rester immobiles pendant l'imagerie, ils sautaient parfois vers un site de réseau proche. Cela peut s’expliquer par le phénomène de tunneling quantique. « Les atomes « sautaient » d’un site à un autre. C’était quelque chose de très beau à voir, car nous étions littéralement témoins d’une manifestation directe de leur comportement quantique inhérent », partage Buob.

Enfin, le groupe de recherche a utilisé son microscope à gaz quantique pour confirmer que le strontium gazeux était un superfluide, une phase quantique de la matière qui s'écoule sans viscosité. « Nous avons soudainement éteint le laser à réseau afin que les atomes puissent se dilater dans l'espace et interférer les uns avec les autres. Cela a généré un motif d’interférence, dû à la dualité onde-particule des atomes du superfluide. Lorsque notre équipement l'a capturé, nous avons vérifié la présence de superfluidité dans l'échantillon », explique le Dr Antonio Rubio-Abadal.

«C'est un moment très excitant pour la simulation quantique», partage Leticia Tarruell, professeur à l'ICREA. « Maintenant que nous avons ajouté le strontium à la liste des microscopes à gaz quantique disponibles, nous pourrons peut-être bientôt simuler des matériaux plus complexes et plus exotiques. On s’attend alors à ce que de nouvelles phases de la matière surgissent. Et nous espérons également obtenir beaucoup plus de puissance de calcul pour utiliser ces machines comme ordinateurs quantiques analogiques.