Des physiciens d'Oxford simulent l'effet Aharonov-Bohm avec des ions piégés

Un double rôle pour les ions strontium piégés

Les théories de jauge standard expliquent les forces fondamentales en décrivant la manière dont les champs de matière échangent des champs de jauge porteurs de force. Dans les modèles sur réseau, l'espace est traité comme une grille où la matière occupe les nœuds et où les champs de jauge se trouvent sur les liens qui les relient. La simulation de ces modèles sur des ordinateurs ordinaires devient computationnellement intraitable à mesure que les dimensions augmentent, ce qui alimente une innovation continue dans les plateformes spécialisées de calcul quantique.

Pour construire leur simulateur, les chercheurs de l'université d'Oxford ont eu recours à une architecture hybride. Deux niveaux d'énergie électroniques d'un ion strontium servaient de qubit pour représenter le champ de jauge sur un lien, selon Phys.org. Parallèlement, les modes vibrationnels des ions faisaient office d'oscillateurs harmoniques pour stocker les champs de matière. Dans ce cadre, une unité d'énergie vibrationnelle, appelée phonon, représente une particule de matière. Le premier auteur, Sebastian Saner, a souligné que « l'avantage est que les champs de matière peuvent être stockés bien plus efficacement dans les modes vibrationnels ».

« Nous avons commencé à réfléchir, dès 2022, à la manière d'utiliser un système quantique hybride à ions piégés pour simuler des théories de jauge sur réseau. »

— Sebastian Saner, premier auteur et chercheur à l'université d'Oxford

Coupler le mouvement via des dimensions synthétiques

La géométrie du réseau simulé ne dépend pas du placement physique des ions dans le piège. Même alignées en ligne droite, les particules peuvent reproduire des configurations de dimension supérieure grâce à des couplages réalisés par laser, appelés dimensions synthétiques.

Pour induire le déplacement des particules, les chercheurs ont dirigé des faisceaux laser afin d'exercer deux forces distinctes sur différents modes vibrationnels. Chaque force poussait dans une direction déterminée par l'état interne du qubit. À chaque saut du phonon entre deux sites de matière, la ligne de champ du lien correspondant alternait entre un état présent et un état absent. Cette dynamique reliait directement le mouvement des particules au champ de jauge sous-jacent, comme l'a détaillé Phys.org.

Observer les interférences dans des boucles fermées

Les précédentes simulations quantiques de théories de jauge sur réseau Z₂ étaient pour la plupart limitées à une dimension, ou omettaient entièrement les champs de matière afin de réduire la complexité. En une dimension, les liens ne peuvent pas former de boucles, ce qui empêche l'apparition d'un flux magnétique. En disposant deux ions piégés selon une géométrie quasi bidimensionnelle, l'équipe d'Oxford a créé une boucle fermée traversée par un flux, donnant naissance à des quasiparticules de flux appelées visons.

Le dispositif a permis aux chercheurs d'observer l'effet Aharonov-Bohm, un phénomène d'interférence dans lequel une particule chargée réagit aux potentiels électromagnétiques même dans des régions où les champs eux-mêmes sont nuls. Saner a confié à Phys.org que le concept avait pris forme sur plusieurs années : « Nous avons commencé à réfléchir, dès 2022, à la manière d'utiliser un système quantique hybride à ions piégés pour simuler des théories de jauge sur réseau. » Les résultats ont été publiés dans Nature Physics.

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