Raphael Thys
La recherche en physique quantique laisse entrevoir de nouvelles propriétés/formes de la matière, comme le liquide de spin quantique. Dans les ordinateurs quantiques, les interactions entre les qubits peuvent être modifiées, pouvant ainsi générer des structures aux propriétés particulières. Encore au stade de l’expérimentation, les chercheurs espèrent cependant que les ordinateurs quantiques nous aideront à découvrir de nouvelles formes de la matière, et également à « déverouiller » des propriétés comme la supraconductivité dans divers matériaux.
Jusqu’à présent, la recherche théorique en physique quantique à plusieurs corps s’est surtout concentrée sur les structures régulières qui possèdent une cellule unitaire simple, et où seul un nombre infiniment petit de paires de constituants interagit directement. Les configurations spatiales alors considérées présentent des interactions locales et un haut degré de symétrie.
« Des progrès expérimentaux récents ont toutefois montré que la physique quantique à plusieurs corps ne doit pas se limiter à de telles géométries », écrivent les auteurs de la pré-étude, disponible sur arXiv. Par exemple, dans les simulateurs de Rydberg, les chercheurs étudient des atomes individuels qui interagissent très fortement, et l’on peut maintenant placer ces atomes de manière libre, en utilisant des pinces optiques. Cependant, le temps de simulation de ces expériences est limité par le fait que le temps de vie des atomes de Rydberg dans l’environnement à température ambiante est de quelques centaines de microsecondes seulement, dans le meilleur des cas.
Il est intéressant de noter que les ordinateurs quantiques présentent des caractéristiques particulières, qui leur permettent par exemple de manipuler la matière sans la contrainte de la localité. Le concept de cette dernière est que les atomes et les molécules sont influencés par leurs voisins proches ; c’est par ce principe que l’on trouve dans la nature des structures en treillis, dans des matériaux de glace ou encore dans le sel.
La théorie des graphes a révélé des structures géométriques particulières
Dans le cadre de la nouvelle étude, Joseph Tindall (de l’université d’Oxford) et ses collègues ont cherché à obtenir des structures très différentes des matériaux solides classiques. Pour ce faire, ils ont créé un modèle mathématique décrivant des systèmes de particules quantiques libres d’interagir avec toute autre particule (et pas uniquement avec leurs voisines).
« Motivés par les progrès rapides du contrôle des interactions par paires et des géométries dans les simulateurs à plusieurs corps, nous déterminons le sort des systèmes de spin à plusieurs corps sur des graphes arbitraires plus généraux », expliquent-ils. Largement utilisée en mathématique et en informatique, la théorie des graphes étudie des modèles abstraits de dessins de réseaux reliant des objets. En clair, elle permet de déterminer si un système donné peut exister réellement, en examinant les contraintes de systèmes qui existent dans le monde réel. En fait, l’application de la théorie des graphes aux systèmes quantiques de cette manière est une nouveauté qui pourrait révéler de nouveaux types de systèmes et de connectivité qui ne se produisent normalement pas dans la nature.
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Résultat : au sein du système expérimental considéré, certaines particules interagissaient avec d’autres, plus isolées, révélant des structures géométriques particulières par rapport à ce que l’on trouve d’ordinaire. Ces structures modifiaient même leurs propriétés magnétiques d’une façon particulière. Encore théorique, on ignore comment cette propriété pourrait se manifester dans le monde réel, mais un ordinateur quantique pourrait peut-être créer ces structures irrégulières.
Les chercheurs espèrent que les connexions particulières des molécules donneront lieu à des phénomènes comme la supraconductivité — la propriété de certains matériaux de conduire parfaitement le courant électrique, en générant de forts champs magnétiques.
Il reste encore à améliorer les expériences pour savoir si les systèmes fonctionneraient dans le monde réel, par exemple en tenant compte de la façon dont ces derniers pourraient évoluer dans le temps. De plus, les structures étudiées ne considèrent que les connexions entre les particules, et pas encore la notion de distance.