Les interactions entre les spins quantiques sont à l’origine de certains des phénomènes les plus intéressants de l’univers, tels que les supraconducteurs et les aimants. Cependant, les physiciens ont du mal à concevoir en laboratoire des systèmes contrôlables qui reproduisent ces interactions.
Maintenant, dans un article récemment publié Nature Jun Ye, professeur de physique à l’université du Colorado à Boulder et membre du JILA et du NIST, et son équipe, ainsi que des collaborateurs du groupe de Mikhail Lukin à l’université de Harvard, ont utilisé des impulsions micro-ondes périodiques dans un processus connu sous le nom d’ingénierie Floquet, pour ajuster les interactions entre des molécules de potassium-rubidium ultra-froides dans un système approprié à l’étude des systèmes magnétiques fondamentaux. De plus, les chercheurs ont observé une dynamique de torsion à deux axes au sein de leur système, qui peut générer des états intriqués pour une détection quantique améliorée à l’avenir.
Dans cette expérience, les chercheurs ont manipulé des molécules de potassium-rubidium ultra-froides, qui sont polaires. Les molécules polaires étant une plateforme prometteuse pour les simulations quantiques, les interactions moléculaires ajustables utilisant l’ingénierie Floquet pourraient ouvrir de nouvelles portes pour la compréhension d’autres systèmes quantiques à plusieurs corps.
« Il y a beaucoup d’intérêt pour l’utilisation de ces systèmes quantiques, en particulier [with] « Les molécules polaires peuvent être sensibles à de nombreux effets de la nouvelle physique car elles ont une structure énergétique riche qui dépend de nombreuses constantes physiques différentes », explique Calder Miller, étudiant diplômé du JILA et premier auteur de l’étude. « Ainsi, si nous pouvons concevoir leurs interactions, en principe, nous pouvons créer des états intriqués qui offrent une meilleure sensibilité à la nouvelle physique. »
Mise en œuvre de l’ingénierie Floquet
L’ingénierie Floquet est devenue une technique utile pour piloter les interactions au sein des systèmes physiques. Cette méthode agit comme une « lumière stroboscopique quantique », qui peut créer différents effets visuels, comme donner l’impression que les objets se déplacent au ralenti ou même restent immobiles, en ajustant la vitesse et l’intensité des flashs.
De même, en utilisant des impulsions micro-ondes périodiques pour piloter le système, les scientifiques peuvent créer différents effets quantiques en contrôlant la manière dont les particules interagissent.
« Dans notre ancienne configuration, nous étions limités dans le nombre d’impulsions que nous pouvions générer », explique Annette Carroll, étudiante diplômée du JILA au sein de l’équipe de recherche de Ye et co-auteure de cette étude. « Nous avons donc travaillé avec l’atelier d’électronique pour développer un générateur de formes d’ondes arbitraires basé sur FPGA, qui nous permet désormais d’appliquer des milliers d’impulsions. Cela signifie que nous pouvons non seulement concevoir une séquence d’impulsions qui supprime le bruit des particules individuelles, mais aussi modifier les interactions dans le système. »
Avant de mettre en œuvre l’ingénierie Floquet, les chercheurs ont d’abord codé l’information quantique dans les deux états de rotation les plus bas des molécules (bien que les molécules aient beaucoup plus d’états). À l’aide d’une impulsion micro-onde initiale, les molécules ont été placées dans une superposition quantique de ces deux états de « spin ».
Après avoir codé les informations, les chercheurs ont utilisé la technique d’ingénierie Floquet pour voir s’ils pouvaient ajuster des types spécifiques d’interactions quantiques, connus sous le nom de modèles de spin XXZ et XYZ. Ces modèles décrivent la manière dont les spins quantiques inhérents aux particules interagissent entre eux, ce qui est fondamental pour comprendre les matériaux magnétiques et d’autres phénomènes à plusieurs corps.
Alors que les physiciens utilisent une sphère de Bloch construite mathématiquement pour montrer comment les spins évoluent dans ces modèles, il peut être plus facile de visualiser les molécules changeant leur schéma de danse en fonction de la façon dont elles interagissent avec leurs voisines, ou partenaires de danse. Ces danseurs moléculaires peuvent passer de la traction à la poussée sur leurs partenaires, ce qui, au niveau quantique, peut être assimilé à des changements d’orientation du spin.
Dans l’étude, la « lumière stroboscopique quantique », ou l’ingénierie Floquet, a provoqué ces changements dans les interactions entre les molécules, ce qui, comme l’ont vérifié les chercheurs, a produit une dynamique de spin similaire à celle générée par le réglage fin des interactions à l’aide d’un champ électrique appliqué. De plus, les chercheurs ont contrôlé avec précision la séquence d’impulsions pour réaliser des interactions moins symétriques qui ne peuvent pas être générées à l’aide de champs électriques.
Faire la torsion (à deux axes)
Les chercheurs ont également observé que leur technique produisait une dynamique de torsion à deux axes.
La torsion à deux axes consiste à pousser et à tirer les spins quantiques le long de deux axes différents, ce qui peut conduire à des états hautement intriqués. Ce processus est précieux pour faire progresser la détection et les mesures de précision, car il permet la création efficace d’états à spin comprimé. Ces états réduisent l’incertitude quantique dans une composante d’un système de spin tout en l’augmentant dans une autre composante orthogonale, ce qui conduit à une sensibilité accrue dans les expériences de spectroscopie.
« C’était vraiment excitant de voir les premières signatures de torsion à deux axes », explique Miller. « Nous n’étions pas sûrs de pouvoir y parvenir, mais nous avons essayé et un jour et demi plus tard, il était assez clair que nous avions un signal. »
Le concept de torsion à deux axes a été proposé au début des années 1990, mais sa réalisation dans deux laboratoires du JILA a dû attendre 2024. En plus de ce travail de Ye et de son équipe, James Thompson, membre du JILA et du NIST et professeur de physique à l’Université du Colorado à Boulder, et son équipe ont utilisé une approche complètement différente pour travailler sur les atomes – l’électrodynamique quantique de cavité, ou QED de cavité – démontrant également torsion à deux axes cette année.
Bien que les chercheurs n’aient pas tenté de détecter l’intrication dans leur système, ils prévoient de le faire à l’avenir.
« L’étape suivante la plus logique est d’améliorer notre détection afin que nous puissions réellement vérifier la génération d’états intriqués », ajoute Miller.
Plus d’informations :
Calder Miller et al, Torsion à deux axes utilisant des modèles de spin XYZ conçus par Floquet avec des molécules polaires, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07883-2