Les chercheurs ont observé un phénomène quantique insaisissable qui a été prévu pour la première fois il y a plus de 50 ans. Ce processus, qui forme un nouvel état de matière, peut avoir des ramifications pour l’avenir calcul quantique.
La phase, appelée transition de phase superradiante (SRPT), est le résultat de deux groupes indépendants de particules quantiques qui commencent à fluctuer d’une manière à la fois coordonnée et collective, ont déclaré les scientifiques dans une nouvelle étude publiée le 4 avril dans la revue Avances scientifiques.
Dans ce cas, les deux groupes de particules étaient des ions fer et des ions erbium à l’intérieur d’un cristal. Les chercheurs ont pu induire le phénomène en appliquant un champ magnétique – plus de 100 000 fois plus fort que celui de la Terre – à un cristal en erbium, fer et oxygène après l’avoir refroidi zéro absolu.
Dans ces conditions, l’équipe a pu observer les signatures indubitables d’un SRPT dans le cristal. Leurs observations correspondaient exactement à ce à quoi ressemblerait un SRPT selon un modèle célèbre formulé par Robert H. Dicke en 1954.
Le soi-disant Modèle de dicke a été le premier à décrire le phénomène de la superradiance – où les atomes excités émettent de la lumière plus rapidement que les atomes normaux – et ont jeté les bases de la compréhension de la transition de phase superradiante comme un état distinct de matière résultant de fortes interactions entre la lumière et la matière. Il a été élaboré en outre par Klaus Hepp et Elliot H. Lieb en 1973 qui a officiellement démontré l’existence de cette transition de phase.
« À l’origine, le SRPT a été proposé comme résultant des interactions entre les fluctuations de vide quantique – les champs d’éclairage quantique existant naturellement même dans l’espace complètement vide – et les fluctuations de la matière », a déclaré l’auteur co-dirigé Dasom Kimun doctorant en physique appliquée à l’Université Rice, dans un déclaration. « Cependant, dans notre travail, nous avons réalisé cette transition en couplant deux sous-systèmes magnétiques distincts – les fluctuations de spin des ions fer et des ions erbium dans le cristal. »
Spin décrit le moment angulaire d’une particule ou d’un atome élémentaire. Il dicte le comportement dans les champs magnétiques et est important pour déterminer les propriétés statistiques des collections de particules, qui, à leur tour, influencent la structure de la matière et la nature des forces fondamentales. Lorsque l’excitation créée par des fluctuations thermiques, l’alternance de champs magnétiques ou d’autres sources provoque une perturbation en forme d’onde à travers un motif de spins dans un matériau, il est appelé un magnon.
Dans le passé, SRPT a été qualifié de « théorème de non-Go » car il a violé un Limitation fondamentale des systèmes à base de lumière. Mais la création d’une version magique du phénomène a permis à l’équipe de contourner cette restriction. Dans leur expérience, les magnons des ions de fer jouent le rôle normalement occupé par des fluctuations de vide, et les tours des ions erbium se remplissent pour les fluctuations de matière.
Les chercheurs ont pu observer clairement la disparition du signal énergétique d’un mode de spin et un changement dans l’autre – des preuves indubitables d’un SRPT.
« Nous avons établi un couplage ultrastrong entre ces deux systèmes de spin et observé avec succès un SRPT, surmontant les contraintes expérimentales précédentes », a déclaré Kim.
Les caractéristiques uniques d’un SRPT pourraient avoir des implications importantes pour un nombre diversifié de technologies quantiques. Cela est dû à un phénomène appelé compression quantique, où les fluctuations sont réduites dans une propriété mesurable d’un système quantique en dessous de la limite quantique standard (bien que les fluctuations augmentent dans une autre propriété).
« Près du point critique quantique de cette transition, le système stabilise naturellement les états quantiques – où le bruit quantique est considérablement réduit – améliorant considérablement la précision de mesure », a déclaré Kim dans le communiqué. « Dans l’ensemble, cette idée pourrait révolutionner les capteurs quantiques et les technologies informatiques, faisant progresser considérablement leur fidélité, leur sensibilité et leur performance. »
Il existe d’autres avantages au-delà de la précision des mesures et des calculs quantiques en raison d’un SRPT stabilisant également des états pressés. Parce que le SRPT découle du comportement collectif de nombreuses particules quantiques, il pourrait fournir une forme de protection intégrée contre les erreurs de qubit individuelles et la décohérence, qui sont des obstacles majeurs dans l’informatique quantique actuelle. Le comportement synchronisé pourrait conduire à des qubits plus robustes et stables avec des temps de cohérence plus longs. Il est également possible que les interactions fortes et cohérentes au sein d’un SRPT puissent conduire à des portes plus rapides (les éléments constitutifs des algorithmes quantiques).
