Simuler la matière condensée en electrodynamique quantique des circuits – CLOUD

Les problèmes physiques où un état quantique localisé est fortement couplé à un continuum d’excitations électroniques est omniprésent en physique du solide. Ils présentent tous le même comportement caractéristique : un nuage d’électrons écrante les fluctuations de l’état localisé, l’ensemble formant ainsi un système à N-corps. L’effet Kondo, qui décrit le couplage d’une impureté magnétique et des électrons de conduction, est considéré comme le problème canonique des impuretés quantiques. Comme tel, sa compréhension complète ouvrirait la voie à une meilleure compréhension d’une myriade de composés dominés par les interactions fortes : les fermions-lourds, les supraconducteurs non-conventionnels, les systèmes fortement corrélés. Cependant malgré d’intenses efforts théoriques et expérimentaux, l’effet Kondo n’a toujours pas dévoilé tous ses mystères. Etonnement le nuage Kondo demeure plutôt un concept théorique qu’une réalité expérimentale. Sa structure spatiale, sa réponse non linéaire, les corrélations quantiques et la nature de l’intrication entre les électrons du nuage sont autant de questions ouvertes. De plus les expériences sur la physique Kondo ont principalement porté sur les mesures de transport électroniques.

Le projet CLOUD aborde ce problème d’une manière complétement nouvelle et originale. Au lieu d’étudier une impureté magnétique couplée à un continuum d’électrons, nous proposons de développer un simulateur quantique analogique qui imitera le système avec une souplesse sans précédent. Ce simulateur est basé sur un bit quantique supraconducteur Josephson couplé très fortement à un grand nombre de modes d’un réseau de jonctions Josephson. Le qubit supraconducteur joue le rôle de l’impureté et les modes électromagnétiques du réseau supportent un continuum de photon micro-onde, l’équivalent du continuum électronique. Grâce au couplage ultra-fort entre le qubit et les modes, cette nouvelle architecture expérimentale représente une évolution radicalement nouvelle par rapport au domaine de l’électrodynamique quantique dans les circuits : nous abordons le problème du couplage ultra fort à N-modes. Une première génération d’un tel simulateur quantique vient juste d’être démontrée au sein de mon équipe. Pour la fin de mon projet, je prévois de réaliser un qubit couplé simultanément à 20 modes.

Récemment nous avons démontré théoriquement que le nuage photonique Kondo était décrit par un chat de Schrödinger à N-corps. Cet important résultat éclaire d’une manière nouvelle la nature du nuage Kondo et ouvre la voie à de nouvelles expériences. En effet les mesures de spectroscopie micro-onde, l’extraction des corrélations quantiques entre les photons micro-ondes des différents modes et l’évolution temporelle de ces corrélations permettront toutes ensemble de révéler les propriétés quantiques du nuage photonique.

Le projet CLOUD profitera d’une nouvelle technologie que j’ai récemment mise au point: les méta-matériaux à base de milliers de jonction Josephson. Lorsque ce méta-matériau présente une grande impédance caractéristique, il fournit un continuum de modes photoniques à faibles pertes et ajustable. Dans sa version basse impédance, ce système est un milieu non linéaire parfaitement adapté pour réaliser une nouvelle génération d’amplificateur paramétrique limité quantiquement, indispensable pour sonder les corrélations à l’intérieur du nuage photonique. En combinant ces deux réalisations expérimentales ainsi que le développement de mesures hétérodynes multimodes, nous pourrons réaliser des expériences originales afin de démontrer la nature à N-corps du chat de Schrödinger qui décrit le nuage Kondo photonique. En plus de mieux comprendre les propriétés du nuage Kondo, ce projet CLOUD constituera un moyen original pour valider une simulation quantique analogique dans un système à N-corps complexe.