Des chercheurs avancent dans leurs efforts pour transformer les diamants en simulateur quantique

Les diamants sont souvent appréciés pour leur éclat impeccable, mais Chong Zu, professeur adjoint de physique en arts et sciences à l’Université Washington de Saint-Louis, voit une valeur plus profonde dans ces cristaux naturels. Comme indiqué dans Lettres d’examen physiqueZu et son équipe ont fait un grand pas en avant dans leur quête visant à transformer les diamants en simulateur quantique.

Les co-auteurs de l’article incluent Kater Murch, professeur de physique Charles M. Hohenberg et Ph.D. étudiants Guanghui He, Ruotian (Reginald) Gong et Zhongyuan Liu. Leurs travaux sont soutenus en partie par le Center for Quantum Leaps, une initiative phare du plan stratégique Arts & Sciences qui vise 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 transformé les diamants en les bombardant d’atomes d’azote. Certains de ces atomes d’azote délogent les atomes de carbone, créant ainsi des défauts dans un cristal par ailleurs parfait. Les lacunes qui en résultent sont remplies d’électrons possédant leur propre spin et leur propre magnétisme, propriétés quantiques qui peuvent être mesurées et manipulées pour un large éventail d’applications.

Comme Zu et son équipe l’ont déjà révélé lors d’une étude sur le bore, de telles failles pourraient potentiellement être utilisées 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 superordinateurs de pointe) sont inadaptés à la simulation de systèmes quantiques, même ceux comportant seulement une douzaine de particules quantiques. En effet, les dimensions de l’espace quantique augmentent de façon exponentielle avec chaque particule ajoutée. Mais la nouvelle étude montre qu’il est possible de simuler directement une dynamique quantique complexe à l’aide d’un système quantique contrôlable.

« Nous concevons soigneusement notre système quantique pour créer un programme de simulation et le laisser fonctionner », a déclaré Zu. « Au final, nous observons les résultats. C’est quelque chose qui serait presque impossible à résoudre avec un ordinateur classique. »

Les progrès de l’équipe dans ce domaine permettront d’étudier certaines des facettes les plus passionnantes de la physique quantique à N corps, notamment la réalisation de nouvelles phases de la matière et la prédiction de phénomènes émergents issus de systèmes quantiques complexes.

Dans la dernière étude, Zu et son équipe ont réussi à maintenir leur système stable pendant 10 millisecondes, une longue période de temps dans le monde quantique. Remarquablement, contrairement à d’autres systèmes de simulation quantique qui fonctionnent à des températures ultra-froides, leur système construit en diamant fonctionne à température ambiante.

L’une des clés pour conserver un système quantique intact est d’empêcher la thermalisation, le point auquel le système absorbe tellement d’énergie que toutes les failles perdent leurs caractéristiques quantiques uniques et finissent par paraître identiques. L’équipe a découvert qu’elle pouvait retarder ce résultat en pilotant le système si rapidement qu’il n’avait pas le temps d’absorber l’énergie. Cela laisse le système dans un état relativement stable de « préthermalisation ».

Le nouveau système basé sur le diamant permet aux physiciens d’étudier simultanément les interactions de plusieurs régions quantiques. Cela ouvre également la possibilité de capteurs quantiques de plus en plus sensibles. « Plus un système quantique dure longtemps, plus sa sensibilité est grande », a déclaré Zu.

Zu et son équipe collaborent actuellement avec d’autres scientifiques WashU du Center for Quantum Leaps pour acquérir de nouvelles connaissances dans toutes les disciplines. Au sein des Arts et Sciences, Zu travaille avec Erik Henriksen, professeur agrégé de physique, pour améliorer les performances des capteurs. Il prévoit également d’utiliser ces capteurs pour mieux comprendre les matériaux quantiques créés dans le laboratoire de Sheng Ran, professeur adjoint de physique.

Il collabore également avec Philip Skemer, professeur de sciences de la Terre, de l’environnement et des planètes, pour obtenir une vue au niveau atomique des champs magnétiques dans des échantillons de roche ; et avec Shankar Mukherji, professeur adjoint de physique, pour imager la thermodynamique dans les cellules biologiques vivantes.