Marie Leroy Certains des sujets les as well as passionnants de la physique moderne, tels que les supraconducteurs à haute température et certaines propositions d’ordinateurs quantiques, se résument aux choses exotiques qui se produisent lorsque ces systèmes oscillent entre deux états quantiques.
Malheureusement, comprendre ce qui se passe à ces points, connus sous le nom de points critiques quantiques, s’est avéré difficile. Les mathématiques sont souvent trop difficiles à résoudre, et les ordinateurs d’aujourd’hui ne sont pas toujours à la hauteur de la tâche de simuler ce qui se passe.
Maintenant. connue sous le nom de simulateur quantique. pour l’instant, ne simule que les interactions entre deux objets quantiques, les chercheurs affirment dans un article publié le 30 janvier dans Character Physics qu’il pourrait être mis à l’échelle relativement facilement. Si tel est le cas, les chercheurs pourraient l’utiliser pour simuler des systèmes as well as complexes et commencer à répondre à certaines des concerns les moreover alléchantes de la physique.
“Nous créons toujours des modèles mathématiques qui, nous l’espérons. mais même si nous pensons qu’ils sont corrects. a déclaré David Goldhaber-Gordon, professeur de physique à Stanford et chercheur au Stanford Institute for Components and Electricity Sciences (SIMES). Avec un chemin vers un simulateur quantique, a-t-il dit, “nous avons ces boutons à tourner que personne n’a jamais eu auparavant.”
Des îles dans une mer d’électrons
L’idée essentielle d’un simulateur quantique, a déclaré Goldhaber-Gordon, est en quelque sorte similaire à un modèle mécanique du système solaire, où quelqu’un tourne une manivelle et des engrenages imbriqués tournent pour représenter le mouvement de la lune et des planètes. On pense qu’un tel “orrery” découvert dans un naufrage datant de moreover de 2000 ans a produit des prédictions quantitatives des horaires d’éclipse et des emplacements planétaires dans le ciel, et des devices analogues ont été utilisées jusqu’à la fin du 20e siècle pour des calculs mathématiques trop difficiles. pour les ordinateurs numériques les plus avancés à l’époque.
Comme les concepteurs d’un modèle mécanique d’un système solaire, les chercheurs qui construisent des simulateurs quantiques doivent s’assurer que leurs simulateurs s’alignent raisonnablement bien avec les modèles mathématiques qu’ils sont censés simuler.
Pour Goldhaber-Gordon et ses collègues, bon nombre des systèmes qui les intéressent – des systèmes avec des factors critiques quantiques tels que certains supraconducteurs – peuvent être imaginés comme des atomes d’un élément disposés dans un réseau périodique intégré dans un réservoir d’électrons mobiles. Les atomes du réseau dans un tel matériau sont tous identiques et ils interagissent tous les uns avec les autres et avec la mer d’électrons qui les entoure.
Pour modéliser des matériaux comme celui-ci avec un simulateur quantique, le simulateur doit avoir des remplaçants pour les atomes du réseau qui sont presque identiques les uns aux autres, et ceux-ci doivent interagir fortement les uns avec les autres et avec un réservoir d’électrons environnant. Le système doit également être réglable d’une manière ou d’une autre, de sorte que les expérimentateurs puissent faire varier différents paramètres de l’expérience pour mieux comprendre la simulation.
La plupart des propositions de simulation quantique ne répondent pas à toutes ces exigences à la fois, a déclaré Winston Pouse, étudiant diplômé du laboratoire de Goldhaber-Gordon et premier auteur de l’article Mother nature Physics. “A un niveau élevé, il y a des atomes ultrafroids, où les atomes sont exactement identiques, mais la mise en œuvre d’un couplage fort à un réservoir est difficile. Ensuite, il y a des simulateurs basés sur des details quantiques, où nous pouvons obtenir un couplage fort, mais les web-sites sont pas identiques », a déclaré Pouse.
qui étudiait des dispositifs à l’échelle nanométrique dans lesquels un îlot de métal était situé entre des swimming pools d’électrons spécialement conçus, connus sous le nom de gaz d’électrons bidimensionnels. Des portes commandées en stress régulaient le flux d’électrons entre les piscines et l’îlot métallique.
En étudiant les travaux de Pierre et de son laboratoire, Pouse. Les îles – remplaçant les atomes du réseau – interagissaient fortement avec les gaz d’électrons qui les entouraient, et si l’île one of a kind de Pierre était étendue à un groupe de deux îles ou furthermore, elles interagiraient également fortement les unes avec les autres. ce qui a pour effet de faire la moyenne des différences significatives entre deux blocs différents invisiblement minuscules du même métal, ce qui les rend effectivement identiques. Enfin, le système était réglable by means of des fils électriques qui contrôlaient les tensions.
Un simple simulateur
L’équipe a également réalisé qu’en associant les îlots métalliques de Pierre, ils pouvaient créer un système straightforward qui devrait afficher quelque selected comme le phénomène critique quantique qui les intéressait.
Tout d’abord, les contours de base du circuit doivent être gravés nanoscopiquement dans les semi-conducteurs. Ensuite, quelqu’un doit déposer et faire fondre une petite goutte de métal sur la composition sous-jacente pour créer chaque îlot métallique.
“Ils sont très difficiles à fabriquer”. “Ce n’est pas un processus tremendous propre, et il est crucial d’établir un bon get hold of” entre le métal et le semi-conducteur sous-jacent.
Malgré ces difficultés, l’équipe, dont les travaux s’inscrivent dans le cadre d’efforts plus larges en science quantique à Stanford et au SLAC. Leurs résultats correspondaient à des calculs qui prenaient des semaines sur un supercalculateur, laissant entendre qu’ils avaient peut-être trouvé un moyen d’étudier les phénomènes critiques quantiques beaucoup additionally efficacement qu’auparavant.
“Bien que nous n’ayons pas encore construit d’ordinateur quantique programmable polyvalent avec une puissance suffisante pour résoudre tous les problèmes ouverts en physique”, a déclaré Andrew Mitchell, physicien théoricien au Centre d’ingénierie, de science et de technologie quantiques de l’University Higher education Dublin (C -QuEST) et co-auteur de l’article.
À terme, a déclaré Goldhaber-Gordon, l’équipe espère construire des dispositifs avec de furthermore en moreover d’îlots, afin de pouvoir simuler des réseaux d’atomes de furthermore en as well as grands.
Cependant. L’un des objectifs est de diminuer la taille des îlots métalliques, ce qui pourrait les faire fonctionner mieux à des températures accessibles : les “réfrigérateurs” ultra-basse température de pointe peuvent atteindre des températures jusqu’à un cinquantième de degré au-dessus du zéro absolu, mais c’était à peine assez froid pour l’expérience que les chercheurs viennent de terminer. Une autre consiste à développer un processus furthermore fiable pour créer les îlots que de faire goutter essentiellement des morceaux de métal fondu sur un semi-conducteur.
Mais une fois que des problèmes comme ceux-ci auront été résolus, les chercheurs pensent que leurs travaux pourraient jeter les bases d’avancées significatives dans la compréhension des physiciens de certains types de supraconducteurs et peut-être même d’une physique as well as exotique, comme des états quantiques hypothétiques qui imitent des particules avec seulement une portion de la charge d’un électron.
a déclaré Pouse, et pour l’avenir, “je suis certainement excité.”
La recherche a été financée principalement par le DOE Office environment of Science.
