Des physiciens observent pour la première fois le fluide de spin quantique

d’abord théorique En 1973 par le physicien Philip W. Anderson, fluides de spin quantique Ce sont des phases particulières de la matière avec un arrangement topologique. Il présente un enchevêtrement quantique à longue portée qui peut être exploité pour réaliser un calcul quantique puissant. Mais le problème avec cet étrange état de la matière réside dans son existence même : personne ne l’a vu auparavant, du moins depuis près de cinq décennies.

Modèle de gradateur dans les matrices atomiques de Rydberg : (a) image de fluorescence de 219 atomes disposés sur les liaisons du réseau Kagome ; Les atomes de Rydberg présentent des dimères rouges sur les liaisons du réseau Kagome ; (b) Une condition compatible avec un blocus de Rydberg à mobilisation maximale peut alors être considérée comme un revêtement dimère du réseau kagome, où chaque tête est touchée par exactement un dimère ; (c) L’état du fluide de spin quantique correspond à une superposition cohérente de nombreuses calottes exponentiellement faibles. Crédit image : Semeghini et d’autres., doi: 10.1126/science. ab8794.

« Le fluide de spin quantique n’a rien à voir avec les fluides quotidiens tels que l’eau », ont déclaré le professeur Michael Lukin et ses collègues de l’Université de Harvard.

« Au lieu de cela, il s’agit d’aimants qui ne gèlent jamais et de la façon dont les électrons qu’ils contiennent tournent. »

« Dans un aimant ordinaire, lorsque la température descend en dessous d’une certaine température, les électrons se déposent et forment un morceau de matière solide avec des propriétés magnétiques. Dans un fluide de spin quantique, les électrons ne se déposent pas lorsqu’ils sont refroidis, ne forment pas un solide , et changent et oscillent constamment (comme un liquide) dans l’un des états quantiques les plus intriqués de tous les temps. »

Le professeur Lukin et ses co-auteurs ont entrepris d’observer un fluide de spin quantique à l’aide d’un simulateur quantique programmable.

Un simulateur est un type spécial d’ordinateur quantique qui permet aux chercheurs de créer des formes programmables telles que des carrés, des nids d’abeilles ou des réseaux triangulaires pour concevoir différentes interactions et enchevêtrements entre des atomes ultrafroids.

L’idée d’utiliser un simulateur quantique est de pouvoir reproduire la même microphysique que l’on retrouve dans les systèmes de matière condensée, notamment avec la liberté offerte par la programmabilité du système.

« Vous pouvez déplacer les atomes aussi loin que vous le souhaitez, vous pouvez modifier la fréquence de la lumière laser, vous pouvez vraiment modifier les paramètres de la nature d’une manière que vous ne pouviez pas dans le matériau où ces choses ont été étudiées auparavant. » a déclaré le professeur de l’Université Harvard, Subir Sachdev.

Dans les aimants conventionnels, l’électron tourne vers le haut ou vers le bas selon un schéma régulier.

Dans les aimants de réfrigérateur de tous les jours, par exemple, tous les cycles pointent dans la même direction. Cela se produit parce que les cycles tournent généralement selon un motif de case à cocher et peuvent s’apparier de sorte qu’ils puissent pointer dans la même direction ou dans une autre direction, tout en maintenant un certain ordre.

Les fluides de spin quantique ne présentent aucun de cet ordre magnétique. Cela se produit parce que, fondamentalement, une troisième rotation a été ajoutée, qui transforme le motif carré en damier en un motif triangulaire.

Alors que la paire peut toujours s’installer dans un sens ou dans l’autre, dans un triangle, le troisième spin sera toujours la sortie de l’électron impair.

Cela rend les aimants frustrés car les spins des électrons ne peuvent pas se stabiliser dans une direction.

« Essentiellement, ils sont dans différentes configurations en même temps avec une certaine probabilité. C’est la base de la superposition quantique », a déclaré le Dr Giulia Simegini, chercheuse postdoctorale au Harvard Max Planck Center for Quantum Optics.

Les auteurs ont utilisé le simulateur pour créer leur propre motif de réseau frustré et y ont placé les atomes pour interagir et s’entremêler.

Ensuite, ils ont pu mesurer et analyser les filaments reliant les atomes après que toute la structure ait été enchevêtrée.

La présence et l’analyse de ces cordes, appelées cordes topologiques, indiquent que des corrélations quantiques se produisaient et que l’état de fluide de spin quantique est apparu.

« Le décalage entre la théorie et l’expérience est très excitant », a déclaré le Dr Robin Feresen, chercheur postdoctoral à l’Université Harvard.

« Ce fut un moment magnifique lorsqu’un instantané des atomes a été capturé et que la formation binaire attendue nous regardait en face. Il est sûr de dire que nous ne nous attendions pas à ce que notre proposition soit mise en œuvre en quelques mois. « 

Après avoir confirmé l’existence de fluides de spin quantiques, les scientifiques se sont tournés vers l’application potentielle de cet état de la matière pour créer de puissants qubits.

Ils ont mené un test de validation de principe qui a montré qu’il serait peut-être un jour possible de créer ces qubits quantiques en plaçant des fluides de spin quantiques dans une matrice géométrique spéciale à l’aide de simulations.

Les chercheurs prévoient d’utiliser un simulateur quantique programmable pour étudier plus avant les fluides de spin quantiques et comment ils peuvent être utilisés pour créer des qubits plus puissants.

Les qubits, après tout, sont les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques et la source de leur immense puissance de traitement.

« Nous montrons les premières étapes de la création de ce qubit topologique, mais nous devons encore montrer comment vous pouvez réellement l’encoder et le manipuler. Il y a maintenant beaucoup à explorer », a déclaré le Dr Simgheni.

l’équipe papier Il a été publié dans le magazine Science.

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G. Semeghini et d’autres. 2021. Examen des fluides de spin topologiques sur un simulateur quantique programmable. Science 374 (6572) : 1242-1247 ; doi: 10.1126/science. abi8794