Comprendre les propriétés de la matière à grandes échelles grâce à l’étude des interactions entre atomes : aux fondements des technologies quantiques

La physique des systèmes dits « à N-corps » étudie les propriétés d’ensembles de particules quantiques en interaction telles qu'on les rencontre dans la matière condensée, la physique nucléaire et les hautes énergies. Malgré des succès importants dans ce domaine au niveau théorique comme expérimental (preuve en intérêt le récent développement des technologies quantiques qui exploitent ces systèmes à grands nombre d’atomes et qui viennent d’être soutenu par le plan quantique français), de nombreuses questions fondamentales restent ouvertes.

Par exemple on ne sait pas bien comment les corrélations quantiques et l’intrication, une propriété exploitée par les technologies de la deuxième révolution quantique actuelle, se développent en situation « hors-équilibre ». On cherche aussi à comprendre comment les interactions entre atomes se combinent à des propriétés dites topologiques de ces systèmes pour engendrer de nouvelles phases de la matière. Enfin, on essaie de savoir si la dissipation, c’est-à-dire le fait que le système interagit toujours au moins un peu avec le monde extérieur, détruit systématiquement les propriétés quantiques ou si au contraire elle peut les stabiliser.

Répondre à ces questions est théoriquement difficile, non pas seulement en raison de la limitation des moyens de calcul à gérer les corrélations quantiques et l'intrication qui résultent des interactions entre les ensembles de particules impliqués dans ces systèmes, mais parce que le « quantique ne peut se calculer exactement par le classique ». Une autre approche consistant à simuler un système quantique synthétique est nécessaire. Cette voie de la « simulation quantique » est utilisée quotidiennement dans les laboratoires qui développent les technologies quantiques actuelles, et qui visent (et s’approchent déjà) des applications en métrologie quantique (visant à obtenir une horloge atomique à la précision ultime), en calcul et pour la résolution de problèmes d’optimisation difficile. Plusieurs « voies » sont explorées par les équipes de recherche du monde entier pour fabriquer ces simulateurs quantiques : la physique atomique (basée sur les ions, atomes froids ou molécules), l'optique quantique (basée sur les photons), ou des dispositifs à l'état solide (utilisant des points quantiques, polaritons ou circuits supraconducteurs).

La voie explorée par l’équipe d’Antoine Browaeys, qui est déjà utilisée par la société Pasqal pour résoudre des problèmes concrets d’optimisation notamment dans le domaine du smart-charging (chargement d’un parc de voitures électriques), consiste en un ensemble d’atomes individuels refroidis par laser maintenus dans des pièges optiques microscopiques, appelés « atomes de Rydberg ».

Le projet ATARAXIA d’Antoine Browaeys, financé par une bourse ERC Advanced Grant, va utiliser ce système et essayer de contrôler au mieux chaque paramètre qui le régit : refroidissement, piégeage, excitation dans des états dans lesquels les atomes interagissent fortement. Ainsi les atomes individuels, refroidis par laser, sont isolés dans des pinces optiques et arrangés en matrices de différentes géométries qui reproduisent des situations de matière condensée. Il est alors possible d’allumer ou éteindre les interactions et ainsi étudier comment elles engendrent des comportements macroscopiques. C’est cette approche de compréhension de situations réelles par la construction d’un système synthétique régit par les mêmes lois que l’on appelle la simulation quantique.  Cette méthode permettra de comprendre les propriétés de la matière à grandes échelles, en particulier : le magnétisme quantique, la topologie et la dynamique quantique.

A long terme, le contrôle ultime sur un ensemble d’atomes permettra peut-être de développer un véritable ordinateur quantique. Nous n’en sommes toutefois qu’au tout début et de nombreux travaux théoriques, mais aussi des améliorations significatives des expériences sont nécessaires avant de démontrer toute la puissance de l’approche quantique. C’est à ce défi de taille que le projet ERC d’Antoine Browaeys tentera d’apporter des réponses.