CE47 - Technologies quantiques

Simuler le modèle de Bose-Hubbard dans des circuits supraconducteurs – BOCA

Simuler le modèle de Bose-Hubbard avec des circuits supraconducteurs

Les simulateurs quantiques sont des systèmes idéalement contrôlés pour simuler le comportement quantique de la matières. Des efforts expérimentaux pour mettre en œuvre cette idée sont poursuivis notamment dans le domaine des atomes ultra-froids, des ions piégés, des circuits supraconducteurs, des systèmes photoniques et RMN. Ce projet se concentre sur une nouvelle implémentation utilisant des circuits supraconducteurs micro-fabriqués pour simuler le modèle de Bose-Hubbard.

Le modèle de Bose-Hubbard

L'objectif principal de ce projet est de démontrer le potentiel de la circuit QED pour simuler le modèle de Bose-Hubbard (BH), qui est le modèle canonique d'interaction des bosons sur un réseau. Ce modèle a trouvé des applications dans divers domaines de la physique de la matière condensée, y compris la supraconductivité des couches minces et des réseaux de jonctions Josephson, des réseaux de cavités optiques et des atomes froids dans des réseaux optiques. Il décrit des bosons sautant sur un réseau avec une interaction sur site. Les propriétés non triviales du modèle proviennent de la compétition entre le saut qui délocalise les particules et le terme d'interaction qui a l'effet inverse. En raison de ces deux effets concurrents, le modèle BH prédit généralement une transition de phase quantique d'un superfluide à une phase d'isolant de Mott lorsque l'interaction augmente. Mais, il peut aussi conduire à des phases plus exotiques et moins comprises. En présence de désordre affectant l'énergie sur site, une phase de verre de Bose apparaît comme une phase intermédiaire entre le superfluide et les phases isolantes de Mott. Une nouvelle physique est également attendue dans les réseaux avec des structures de bandes exotiques, telles que des bandes plates ou des bandes topologiques. Dans le cas des bandes plates, des ondes de densité de charge ont été prédites à certains remplissages mais des questions demeurent sur la nature de la phase aux remplissages intermédiaires. Les réseaux à bandes topologiques, qui peuvent être obtenus en utilisant des sauts de valeurs complexes, devraient prédire des états similaires à ceux de l'effet Hall quantique fractionnaire pour les électrons. Enfin, l'ajout de termes de perte et de pompe a donné lieu à de nombreux développements théoriques récents. Le modèle de Bose-Hubbard dissipatif est activement étudié et encore mal compris.

Le projet se concentre sur deux architectures de circuits:
- Les chaînes de jonction Joesphson, qui sont bien adaptées pour étudier la transition supraconductrice-isolant
- Les réseaux de résonateurs supraconducteurs non linéaires, qui nous permettent de simuler le modèle dissipatif de Bose-Hubbard sur des réseaux 2D

Observation d'états de bord de Semenoff dans un réseau hexagonal de résonateurs supraconducteurs

Observation d'un condensat de Bose-Einstein de photons micro-onde

Comprendre la transition supra-isolant dans une chaîne de jonctions Josephson

En cours de rédaction

Les simulateurs quantiques sont des systèmes idéalement contrôlés permettant la simulation de la matière quantique complexe. Des efforts expérimentaux pour mettre en œuvre cette idée sont poursuivis en particulier dans le domaine des atomes ultrafroids, des ions piégés, des circuits supraconducteurs, des systèmes photoniques et en RMN. La force et l'originalité de ce projet est de se concentrer sur une nouvelle implémentation utilisant des circuits supraconducteurs mésoscopiques micro-fabriqués. Plus précisément, nous étudierons deux architectures de circuits: (i) des chaînes de jonctions Josephson, (ii) des réseaux de résonateurs supraconducteurs non linéaires. Ces deux systèmes simulent le modèle de Bose-Hubbard pour différents paramètres et différentes géométries de réseaux. Le modèle de Bose-Hubbard est un paradigme largement répandu pour l'étude des systèmes bosoniques fortement corrélés. Il permet de traiter une variété de problèmes en physique de la matière condensée, comme la physique de Mott ou, associé à des champs de jauge artificiels, des phases topologiques de la matière telle que la physique de l'effet Hall quantique. Si certains de ces problèmes sont bien connus dans les systèmes fermés, de nombreuses questions restent sans réponse pour les systèmes ouverts et / ou en présence de désordre. Ce projet permettra d'unifier les efforts théoriques et expérimentaux pour obtenir de nouvelles informations sur (i) la transition supraconducteur-isolant et le rôle du désordre, (ii) la réalisation de nouveaux états de lumière dans les réseaux de résonateurs hyperfréquences. De tels réseaux sont intrinsèquement des systèmes hors d'équilibre et peuvent être conçus pour avoir une topologie non triviale.

Coordinateur du projet

Monsieur Jerome Esteve (Laboratoire de Physique des Solides)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INEEL Institut Néel - CNRS
CPhT Centre de physique théorique
CNRS-LPS Laboratoire de Physique des Solides

Aide de l'ANR 495 663 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 48 Mois

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