Atomes de Rydberg circulaires piégés pour la simulation quantique – TRYAQS

TRYAQS propose un concept novateur pour la simulation quantique, un sujet très actif au niveau mondial. L’objet de la simulation quantique est de mieux comprendre les systèmes complexes de matière condensée. Ils sont en effet très importants, tant pour des questions fondamentales comme le transport ou les transitions de phase quantiques que pour le développement de matériaux innovants. Mais leur approche théorique est formidablement difficile en raison de la taille de leur espace de Hilbert. Le calcul exact d’une simple chaîne de 30 spins avec des interactions non triviales entre plus proches voisins est déjà à la limite des possibilités des calculateurs actuels. Un simulateur quantique émule un système par un autre, dont la dynamique est identique et dont tous les paramètres sont sous contrôle. Il permet aussi, en principe, de mesurer toutes les observables possibles de l’état final. Des avancées importantes ont déjà été réalisées, en particulier avec des ions, des atomes piégés, des circuits supraconducteurs ou des atomes de Rydberg. Aucune de ces plates-formes ne permet néanmoins pour l’instant d’étudier de grands systèmes pendant les temps longs mis en jeu dans des phénomènes de thermalisation ou de localisation, par exemple.

TRYAQS se propose de combiner les meilleures caractéristiques de ces plates-formes, en utilisant des spins codés sur des atomes de Rydberg circulaires, piégés optiquement et dont l’émission spontanée est inhibée. Les niveaux circulaires ont des propriétés remarquables : une structure simple, une longue durée de vie (30 ms pour 50C), un très fort couplage aux ondes millimétriques, une détection sélective et sensible par ionisation par champ. Une paire de ces atomes, habillée par une micro-onde résonnante, interagit par un Hamiltonien de van der Waals qui se ramène à celui d’une chaîne de spins en interaction XXZ dans des champs transverses uniformes. Les paramètres de cette interaction sont complètement ajustables en agissant sur la micro-onde d’habillage et sur le champ électrique statique appliqué aux atomes.

Pour tirer tout le parti possible de ces propriétés remarquables, TRYAQS propose d’allonger la duré de vie des niveaux circulaires au delà de la dizaine de secondes en les plaçant dans une structure sous coupure pour la longueur d’onde d’émission. Les atomes seront piégés par le potentiel pondéromoteur de leur électron dans un faisceau laser, un potentiel profond (de l’ordre du MHz pour des puissances raisonnables) et presque indépendant du niveau, un atout majeur pour TRYAQS. En raison de leur grand moment angulaire, les niveaux circulaires sont pratiquement insensibles à la photoionisation, qui n’affecte pas leur durée de vie.

L’objectif final de TRYAQS est de suivre l’évolution d’une chaîne de quelques spins sur des temps longs, pour observer les signes d’une transition de phase quantique dans une variation adiabatique des paramètres du Hamiltonien. Ce résultat remarquable prouvera l’intérêt de cette plate-forme et ouvrira la voie à des simulations de systèmes inaccessibles aux méthodes numériques ou analytiques usuelles. Le succès de TRYAQS sera donc une étape majeure pour la simulation quantique.

TRYAQS repose sur des efforts théoriques et expérimentaux, réalisés en collaboration étroite entre le groupe d’Electrodynamique quantique du LKB (Collège de France, CdF) et le groupe du LPTMS, Orsay. Le travail théorique guidera les efforts expérimentaux, par exemple en faisant les choix optimaux de paramètres. Il explorera aussi le potentiel de la plate-forme, bien au delà des objectifs expérimentaux de TRYAQS. Le groupe expérimental utilisera sa vaste expérience des états circulaires et du piégeage atomique pour atteindre les objectifs ambitieux de TRYAQS dans la durée prévue de quatre ans.