Théorisés pour la première fois en 1973 par le physicien Philip W. Anderson, les liquides de spin quantiques sont des phases exotiques de la matière présentant un ordre topologique. Ils présentent une intrication quantique à longue portée qui peut potentiellement être exploitée pour réaliser des calculs quantiques robustes. Mais le problème de cet état exotique de la matière est son existence même : personne ne l’avait jamais vu – du moins, cela a été le cas pendant près de cinq décennies.
Modèle de dimère dans des réseaux d’atomes de Rydberg : (A) image de fluorescence de 219 atomes disposés sur les liens d’un réseau de kagome ; les atomes de Rydberg sont marqués par des dimères rouges sur les liens du réseau de kagome ; (B) un état compatible avec le blocage de Rydberg au remplissage maximal peut alors être considéré comme une couverture de dimères du réseau de kagome, où chaque sommet est touché par exactement un dimère ; (C) l’état liquide de spin quantique correspond à une superposition cohérente de couvertures de dimères exponentiellement nombreuses. Crédit image : Semeghini et al., doi : 10.1126/science.abi8794.
“Un liquide à spin quantique n’a rien à voir avec les liquides de tous les jours comme l’eau”, ont déclaré le professeur Mikhail Lukin de l’université de Harvard et ses collègues.
“Au lieu de cela, il s’agit d’aimants qui ne gèlent jamais et de la façon dont les électrons qui les composent tournent.”
“Dans les aimants ordinaires, lorsque la température descend en dessous d’une certaine température, les électrons se stabilisent et forment un morceau de matière solide avec des propriétés magnétiques. Dans le liquide de spin quantique, les électrons ne se stabilisent pas lorsqu’ils sont refroidis, ne se transforment pas en un solide et changent et fluctuent constamment (comme un liquide) dans l’un des états quantiques les plus intriqués jamais conçus.”
Le professeur Lukin et ses co-auteurs ont entrepris d’observer un liquide de spin quantique en utilisant le simulateur quantique programmable.
Le simulateur est un type particulier d’ordinateur quantique qui permet aux chercheurs de créer des formes programmables telles que des carrés, des nids d’abeilles ou des treillis triangulaires afin d’élaborer différentes interactions et enchevêtrements entre les atomes ultrafroids.
L’idée d’utiliser le simulateur quantique est de pouvoir reproduire la même physique microscopique que celle que l’on trouve dans les systèmes de matière condensée, surtout avec la liberté que permet la programmabilité du système.
“Vous pouvez éloigner les atomes autant que vous le souhaitez, vous pouvez changer la fréquence de la lumière laser, vous pouvez vraiment changer les paramètres de la nature d’une manière que vous ne pouviez pas dans la matière où ces choses sont étudiées auparavant”, a déclaré le professeur Subir Sachdev de l’Université de Harvard.
Dans les aimants conventionnels, les spins des électrons pointent vers le haut ou vers le bas selon un schéma régulier.
Dans un aimant de réfrigérateur ordinaire, par exemple, les spins pointent tous dans la même direction. Cela se produit parce que les spins fonctionnent généralement selon un modèle de damier et peuvent s’apparier de manière à pointer dans la même direction ou dans des directions alternées, en conservant un certain ordre.
Les liquides de spin quantiques ne présentent aucun de ces ordres magnétiques. Cela se produit parce que, essentiellement, un troisième spin est ajouté, transformant le motif en damier en un motif triangulaire.
Alors qu’une paire peut toujours se stabiliser dans une direction ou une autre, dans un triangle, le troisième spin sera toujours l’électron impair.
Cela donne un aimant frustré où les spins des électrons ne peuvent pas se stabiliser dans une seule 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 Semeghini, chercheur postdoctoral au Harvard-Max Planck Quantum Optics Center.
Les auteurs ont utilisé le simulateur pour créer leur propre modèle de réseau frustré, en y plaçant les atomes pour qu’ils interagissent et s’emmêlent.
Ils ont ensuite pu mesurer et analyser les cordes qui reliaient les atomes après l’enchevêtrement de toute la structure.
La présence et l’analyse de ces chaînes, appelées chaînes topologiques, signifiaient que des corrélations quantiques se produisaient et que l’état liquide de spin quantique de la matière était apparu.
“Le va-et-vient entre la théorie et l’expérience est extrêmement stimulant”, a déclaré le Dr Ruben Verresen, un chercheur postdoctoral de l’Institut de recherche de l’Université d’Ottawa.chercheur à l’Université de Harvard.
“C’était un moment magnifique lorsque l’instantané des atomes a été pris et que la configuration dimère anticipée nous a regardé en face. On peut dire que nous ne nous attendions pas à ce que notre proposition se réalise en quelques mois.”
Après avoir confirmé la présence de liquides de spin quantiques, les scientifiques se sont tournés vers l’application possible de cet état de la matière pour créer les qubits robustes.
Ils ont effectué un test de preuve de concept qui a montré qu’il pourrait un jour être possible de créer ces bits quantiques en plaçant les liquides de spin quantiques dans un réseau géométrique spécial en utilisant le simulateur.
Les chercheurs prévoient d’utiliser le simulateur quantique programmable pour continuer à étudier les liquides de spin quantiques et la manière dont ils peuvent être utilisés pour créer des qubits plus robustes.
Les qubits, après tout, sont les blocs de construction fondamentaux sur lesquels fonctionnent les ordinateurs quantiques et la source de leur puissance de traitement massive.
“Nous avons montré les toutes premières étapes de la création de ce qubit topologique, mais nous devons encore démontrer comment le coder et le manipuler. Il y a encore beaucoup à explorer”, a déclaré le Dr Semeghini.
L’article de l’équipe a été publié dans le journal Science.
