Tordant les atomes à travers l’espace et le temps

L’une des applications les plus passionnantes des ordinateurs quantiques sera de diriger leur regard vers l’intérieur, vers les règles quantiques mêmes qui les font fonctionner. Les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour simuler la physique quantique elle-même, et peut-être même explorer des domaines qui n’existent nulle part dans la nature.

Mais même en l’absence d’un ordinateur quantique à grande échelle entièrement fonctionnel, les physiciens peuvent utiliser un système quantique qu’ils peuvent facilement contrôler pour émuler un système plus compliqué ou moins accessible. Les atomes ultrafroids – des atomes qui sont refroidis à des températures légèrement supérieures au zéro absolu – constituent une plate-forme de pointe pour la simulation quantique. Ces atomes peuvent être contrôlés avec des faisceaux laser et des champs magnétiques, et amenés à exécuter une routine de danse quantique chorégraphiée par un expérimentateur. Il est également assez facile de scruter leur nature quantique en utilisant l’imagerie haute résolution pour extraire des informations après ou pendant qu’ils ont terminé leurs étapes.

Maintenant, des chercheurs de JQI et du NSF Quantum Leap Challenge Institute for Robust Quantum Simulation (RQS), dirigés par l’ancien boursier postdoctoral JQI Mingwu Lu et l’étudiant diplômé Graham Reid, ont entraîné leurs atomes ultrafroids à faire une nouvelle danse, ajoutant à la boîte à outils croissante de la simulation quantique. Dans une paire d’études, ils ont déformé leurs atomes, enroulant leurs spins mécaniques quantiques dans l’espace et le temps avant de les lier pour créer une sorte de bretzel quantique spatio-temporel.

Ils ont cartographié la forme sinueuse de l’espace-temps qu’ils ont créée et ont rapporté leurs résultats dans un article intitulé « Floquet Engineering Topological Dirac Bands » dans la revue Lettres d’examen physique l’été dernier. Dans une expérience de suivi, ils ont observé la transition de leurs atomes entre différentes formes d’enroulement et ont trouvé une structure riche inaccessible aux atomes simples et stationnaires. Ils ont publié ce résultat, intitulé « Dynamically Induced Symmetry Breaking and Out-of-Equilibrium Topology in a 1D Quantum System », dans Lettres d’examen physique en septembre.

Les enroulements qu’ils ont étudiés sont liés au domaine mathématique de la topologie – la classification des objets en fonction du nombre de trous qu’ils ont. Les beignets sont topologiquement identiques aux cerceaux et aux tasses à café puisqu’ils ont chacun un trou traversant. Mais les beignets sont distincts des montures de lunettes, qui ont deux trous, ou des bretzels, qui en ont trois.

Cette classification des formes d’une simplicité trompeuse a eu un impact surprenant en physique. Il a expliqué des choses comme l’effet Hall quantique, qui produit une résistance électrique reproductible avec précision utilisée pour définir la norme de résistance, et les isolants topologiques, qui pourraient un jour servir de composants d’ordinateurs quantiques robustes.

Dans les environnements physiques, qu’il s’agisse de morceaux solides de métal ou d’atomes ultrafroids, la topologie qui intéresse les physiciens n’est pas vraiment liée à la forme du matériau réel. C’est plutôt la forme prise par les ondes quantiques qui voyagent dans le matériau. Souvent, les physiciens examinent une propriété intrinsèque des particules quantiques appelée spin et comment elle s’enroule lorsqu’une particule accélère ou ralentit dans le morceau solide.

La plupart des solides sont des cristaux, constitués d’une grille régulière s’étendant dans tous les sens selon un motif répétitif d’atomes équidistants. Pour les électrons flottant librement à l’intérieur de cette grille, sauter d’un atome à un autre identique ne fait aucune différence – le paysage est exactement le même à perte de vue. Une grille similaire apparaît dans le paysage des vitesses des électrons – les choses peuvent changer lorsque l’électron commence à accélérer, mais à certaines vitesses, le paysage aura le même aspect que s’il ne bougeait pas du tout.

Mais la position et la vitesse ne sont que deux propriétés de l’électron. Un autre est le spin. Le spin peut se comporter quelque peu indépendamment lorsque la position et la vitesse changent, mais lorsque la position est décalée d’un site ou que la vitesse est décalée d’un « site » de vitesse, le spin doit rester inchangé – un autre reflet de la symétrie présente dans le cristal. Mais entre deux sites ou deux « sites » de vitesse, tout est permis. La forme sinueuse que le spin dessine avant de revenir à son point de départ est ce qui définit la topologie.

Dans le monde de la simulation quantique, les atomes ultrafroids peuvent émuler des électrons dans un cristal. Le rôle du cristal est joué par les lasers, créant un motif répétitif de lumière pour les atomes ultrafroids. L’emplacement et la vitesse des atomes acquièrent de la même manière un motif répétitif, et les spins atomiques tracent des formes qui définissent la topologie.

Dans leur expérience d’enroulement, Lu et ses camarades de laboratoire ont conçu un cristal bidimensionnel, mais pas dans les deux dimensions habituelles d’une feuille de papier. L’une des dimensions était dans l’espace, comme la direction le long d’un fil mince, tandis que l’autre était le temps. Dans cette feuille composée d’espace et de temps, le spin de leurs atomes dessinait une curieuse forme en fonction de la vitesse des atomes dans le cristal d’espace-temps.

« La topologie est définie sur les surfaces », déclare Ian Spielman, membre du JQI, chercheur principal de la recherche et directeur associé de la recherche au RQS. « L’une des dimensions définissant la surface peut être le temps. Cela est connu depuis un certain temps théoriquement, mais ce n’est que maintenant qu’il est testé expérimentalement. »

Pour créer une surface qui s’enroulerait à la fois dans l’espace et dans le temps, les chercheurs ont fait briller des lasers dans deux directions et un champ magnétique radiofréquence d’en haut sur leur nuage d’atomes ultrafroids. Les lasers et le champ magnétique se sont combinés pour créer des zones d’énergie supérieure et inférieure à partir desquelles les atomes ont été éloignés ou attirés, comme une boîte à œufs dans laquelle les atomes pouvaient vivre. Ce carton avait une forme particulière : au lieu de deux rangées de fentes comme dans une douzaine normale que vous trouveriez dans une épicerie, il n’y avait qu’une seule rangée. Et chaque emplacement du carton était composé de deux sous-emplacements (voir photo ci-dessous). Cela a donné le motif cristallin répétitif le long d’une ligne dans l’espace.

En ajustant l’alignement des lasers et des champs magnétiques, l’équipe a pu déplacer l’ensemble du motif sur le côté d’un sous-emplacement. Mais ils ne l’ont pas simplement changé une fois. Ils secouaient rythmiquement la boîte d’œufs d’avant en arrière entre les deux. Cette secousse rythmique a créé un motif répétitif dans le temps, semblable au motif spatial répétitif des noyaux dans un cristal.

Pour ce faire, ils devaient s’assurer que leur boîte à œufs laser, ainsi que le moment du stroboscope, étaient parfaits. « Le plus difficile était de trouver le bon moment », explique Graham Reid, étudiant diplômé en physique et l’un des auteurs de l’ouvrage. « Cette expérience repose vraiment sur un timing très précis de choses que vous ne connaissez pas a priori, il vous suffit donc de faire beaucoup de réglages. »

Après de nombreux ajustements, cependant, ils ont imaginé expérimentalement le spin des atomes dans ce cristal d’espace-temps. Ils ont cartographié l’enroulement de la rotation alors qu’elle traversait à la fois le temps et l’espace pour revenir à son point de départ. De cette façon, ils ont mesuré directement la topologie sinueuse qu’ils avaient construite.

Suite à ce travail, ils ont utilisé le même motif laser pour faire une expérience très différente liée à la topologie. Au lieu de regarder une topologie dans l’espace et le temps, ils se sont concentrés uniquement sur la dimension spatiale. Cette fois, ils ont préparé leurs atomes de différentes manières : tous en rotation, tous en rotation, ou un mélange.

Ce n’étaient pas des états naturels et confortables pour les atomes dans le motif laser qu’ils ont créé, et finalement, les atomes se sont installés dans leurs états les plus naturels – leurs états d’équilibre. Mais en cours de route, les chercheurs ont pu capturer des images figées de plusieurs formes topologiques différentes, dont certaines ne se produiraient que pour un instant. Ces résultats ont révélé de nouveaux mystères que les chercheurs ont hâte d’enquêter.

« Il y a deux grandes questions auxquelles je pense qu’il serait bon de répondre », a déclaré Spielman. « La première est que le résultat de la topologie spatiale et temporelle n’a vraiment fonctionné qu’à un moment précis. Je me demande s’il existe un moyen de rendre cela robuste. Deuxièmement, pour la topologie hors d’équilibre, je suis intéressé de voir ce qui se passe lorsque nous basculons rapidement entre une plus grande variété d’états topologiques. »

En plus de Spielman, qui est également boursier à l’Institut national des normes et de la technologie, Reid, et Lu, qui est maintenant à Atom Computing, les auteurs des articles comprenaient Amilson Fritsch, un ancien boursier postdoctoral à JQI maintenant à l’Université de Sao Paulo Sao Carlos, et Alina Piñeiro, étudiante diplômée en physique à JQI.