La recherche soutenue par le Quantum Leap Center fait progresser le domaine de la simulation quantique à l’aide de systèmes quantiques à l’échelle atomique. Les diamants sont souvent appréciés pour leur éclat impeccable, mais le professeur adjoint de physique Zu Chongzhi voit une valeur plus profonde dans ces cristaux naturels. Comme le rapporte Physical Review Letters, l’une des revues de physique les plus prestigieuses, l’équipe de ChongZu a franchi une étape importante dans sa quête visant à transformer les diamants en simulateurs quantiques.
Les co-auteurs de l'article comprennent le professeur de physique Kater Murch, les doctorants He Guanghui, Ruotian (Reginald) Gong et Liu Zhongyuan. Leur travail a été partiellement soutenu par le Center for Quantum Leaps. Le Quantum Leap Center est une initiative phare du plan stratégique Arts & Sciences visant à appliquer les connaissances et les technologies quantiques à la physique, aux sciences biomédicales et de la vie, à la découverte de médicaments et à d'autres domaines de grande envergure.
Les chercheurs ont bombardé le diamant avec des atomes d’azote, provoquant sa transformation. Certains de ces atomes d’azote déplacent les atomes de carbone, créant des défauts dans un cristal par ailleurs parfait. Le vide qui en résulte est rempli d’électrons dotés de spin et de magnétisme, dont les propriétés quantiques peuvent être mesurées et manipulées pour un large éventail d’applications.
Comme Zu et son équipe l’ont déjà révélé grâce à leurs travaux sur le bore, ces défauts ont le potentiel d’être utilisés comme capteurs quantiques qui réagissent à leur environnement et les uns aux autres. Dans la nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur une autre possibilité : utiliser des cristaux imparfaits pour étudier le monde quantique incroyablement complexe.
Les ordinateurs classiques, y compris les supercalculateurs les plus avancés, ne suffisent pas à simuler des systèmes quantiques, même ceux ne comportant qu’une douzaine de particules quantiques. En effet, les dimensions de l’espace quantique augmentent de façon exponentielle avec chaque particule supplémentaire. Mais de nouvelles recherches montrent qu’il est possible de simuler directement une dynamique quantique complexe à l’aide de systèmes quantiques contrôlables. "Nous concevons soigneusement notre système quantique, créons une simulation et le laissons fonctionner. Enfin, nous observons les résultats. Il s'agit d'un problème presque impossible à résoudre à l'aide d'un ordinateur classique", a déclaré Zu.
Les progrès de l'équipe dans ce domaine aideront à étudier certains des aspects les plus passionnants de la physique quantique à N corps, notamment la réalisation de nouvelles étapes de la matière et la prévision des phénomènes émergents dans les systèmes quantiques complexes.
Dans la dernière étude, Zu et son équipe ont réussi à maintenir leur système stable pendant 10 millisecondes, une durée longue dans le monde quantique. Notamment, leur système de diamant fonctionne à température ambiante, contrairement à d’autres systèmes de simulation quantique qui fonctionnent à des températures ultra-froides.
L’une des clés pour préserver l’intégrité des systèmes quantiques est d’empêcher la thermalisation, c’est-à-dire lorsqu’un système absorbe tellement d’énergie que tous les défauts perdent leur signature quantique unique et finissent par avoir exactement la même apparence. L’équipe a découvert qu’elle pouvait retarder ce résultat en conduisant le système trop vite pour absorber l’énergie. Cela met le système dans un état de « préchauffage » relativement stable.
Ce nouveau système basé sur le diamant permet aux physiciens d’étudier simultanément les interactions de plusieurs régions quantiques. Cela ouvre également la possibilité de créer des capteurs quantiques de plus en plus sensibles. "Plus un système quantique existe longtemps, plus sa sensibilité devient élevée", a déclaré Zu.
Zu et son équipe collaborent actuellement avec d'autres scientifiques de l'UW au Quantum Leap Center pour acquérir de nouvelles connaissances dans toutes les disciplines. En Arts et Sciences, Zu travaille avec Erik Henriksen, professeur agrégé de physique, pour améliorer les performances du capteur. Il prévoit également de les utiliser pour mieux comprendre les matériaux quantiques créés dans le laboratoire de Sheng Ran, professeur adjoint de physique. Il travaille également avec Philip Skemer, professeur de sciences de la Terre, de l'environnement et des planètes, pour observer les champs magnétiques dans des échantillons de roches au niveau atomique, et avec Shankar Mukherji, professeur adjoint de physique, pour imager la thermodynamique dans les cellules biologiques vivantes.