Simulation quantique de physique à N-corps avec des circuits hybrides – SIM-CIRCUIT

Les circuits hybrides métal-semiconducteur récemment développés par le partenaire 1, et déjà qualifiés de simulateurs quantiques analogiques par d'autres équipes, constituent le socle principal sur lequel repose ce projet. Des développements sur la base de tels dispositifs, combinés à l'expertise du partenaire 3 sur les environnements électromagnétiques fortement couplés et sur les mesures à haute fréquence, nous donnera accès à un vaste champ de recherche encore vierge d'investigations expérimentales. Plus précisément, nous allons implémenter une impureté Kondo avec les états de charge dégénérés d'un nœud de circuit métallique et / ou créer par nano-engénierie on-chip des environnements électromagnétiques spécifiques. Dans le contexte des conducteurs 1D en interaction, cet environnement détermine la force et la portée des interactions. Les capacités instrumentales exceptionnelles des partenaires 1 et 3 (hautes fréquences, températures records, thermométrie de précision, sensibilité au bruit) sont également déterminantes pour rendre possible ce projet. Par exemple, atteindre le régime d'universalité nécessite des températures très basses (bien en dessous du seuil de haute énergie) combinées à une thermométrie précise on-chip des électrons. Nous aborderons cette physique à N-corps à partir d'un éventail d'approches remarquablement large, à la fois expérimentales (transport électrique et thermique, hors-équilibre, fluctuations, réponse haute fréquence…) et théoriques (théorie des champs conformes, groupe de renormalisation, bosonisation…) .

Workpackage « Criticalité quantique dans les liquides de Tomonaga Luttinger (TLL) »:
Deux articles ont été publiés sur le flow universel de renormalisation de la conductance électrique dans un TLL avec une impureté. Un excellent accord, quantitatif et sans paramètre de fit comme attendu d’un simulateur quantique, est obtenu avec les prédictions théoriques étendues par Edouard Boulat ainsi qu’avec des calculs numériques approchés (fRG). Au-delà de ce qui était prévu, des expériences sont en cours pour explorer la renormalisation de la conductance en présence d’une différence de température.

Workpackage « Physique des liquides de Tomonaga Luttinger (TLL) au-delà de la conductance électrique »:
Un premier article a été publié sur la mesure du bruit de grenaille induit par une différence de température, et sur l’observation d’un nouveau mécanisme du transport de chaleur associé à ce bruit combiné avec l’interaction de Coulomb. L’observation non planifiée de la transmission à distance de l’état quantique d’électrons dans un régime où le flux de chaleur est complètement bloqué par l’interaction Coulombienne à fait l’objet d’un deuxième article. Le travail expérimental sur la mise en évidence de charges TLL fractionnaires et sur le lien attendu entre renormalisation de la conductance et bruit de grenaille est en cours. Une autre expérience initialement non prévue sur la mise en évidence de la statistique anyonique des TLL induits en régime d’effet Hall quantique fractionnaire va ensuite être réalisée.

Workpackage « Point contact quantique en série avec un mode »:
Nous avons conçu et fabriqué des résonateurs microondes en métaux nobles (cuivre, argent et or), à partir d’inductances spirales. La fréquence de résonance de 5.5 GHz, l’impédance caractéristique de 1 k?, et le facteur de qualité de l’ordre internes de 100 permettront à la fois d’observer l’effet d’un tel résonateur sur la conductance et les propriétés de transport à fréquence finie de ce type de résonateur.

Transmission à distance de l’état quantique d’électrons dans un circuit. Cette forme de téléportation électronique immatérielle impliquant l’interaction Coulombienne a été observée, pour la première fois, au travers d’un îlot métallique de taille micrométrique.

Observation du bruit de grenaille induit par une différence de température. Alors que le bruit électrique induit par le courant dc traversant un petit conducteur quantique est bien connu, le bruit induit uniquement par une différence de température à ses bornes (à température moyenne fixe et courant dc nul) ne vient que très récemment d’être observé. Ce résultat a été obtenu quasi simultanément, et publié avec un peu d’avance, par une équipe Israélienne utilisant une approche différente.

Observation d’un nouveau mécanisme pour le transport quantique de la chaleur dans les circuits mésoscopiques. Un flux de chaleur additionnel, induit par la combinaison de l’interaction Coulombienne et du bruit de grenaille en présence d’une différence de température, a pu être observé pour la première fois.

Articles publiés:
1. Electronic heat flow and thermal shot noise in quantum circuits, E. Sivre, H. Duprez, A. Anthore, A. Aassime, F. D. Parmentier, A. Cavanna, A. Ouerghi, U. Gennser & F. Pierre, Nature Communications 10, 5638 (2019)
2. Transmitting the quantum state of electrons across a metallic island with Coulomb interaction, H. Duprez, E. Sivre, A. Anthore, A. Aassime, A. Cavanna, U. Gennser, F. Pierre, Science 366, 1243–1247 (2019)
3. Universality at work - the local sine-Gordon model, lattice fermions, and quantum circuits, A. Anthore, D. M. Kennes, E. Boulat, S. Andergassen, F. Pierre, and V. Meden, Eur. Phys. J. Special Topics 229, 663-682 (2020)
4. Absence of a dissipative quantum phase transition in Josephson junctions, A. Murani, N. Bourlet, H. le Sueur, F. Portier, C. Altimiras, D. Esteve, H. Grabert, J. Stockburger, J. Ankerhold, and P. Joyez, Phys. Rev. X 10, 021003 (2020)

Les matériaux dont les électrons sont fortement corrélés exhibent des phénomènes non-conventionnels, avec des applications déjà existantes et de grandes potentialités. Un impact sociétal important est attendu de la compréhension quantitative des mécanismes microscopiques sous-jacents, car cela ouvrirait la voie à l’ingénierie quantique de matériaux présentant de nouvelles propriétés. Toutefois, une difficulté majeure tient à la complexité des matériaux fortement corrélés existants. De plus, même les Hamiltoniens à N-corps simplifiés qui sont utilisés pour modéliser ces matériaux ne peuvent souvent pas être résolus complètement. L’utilisation de simulateurs quantiques constitue une puissante stratégie pour dépasser les barrières théoriques et expérimentales. Le projet consiste à développer, exploiter et analyser des simulateurs quantiques pour l’exploration expérimentale et la compréhension théorique d’une large gamme de phénomènes fortement corrélés et de criticalité quantique, y compris ayant des implications technologiques. Dans ce but, de nouveaux simulateurs quantiques basés sur des circuits électriques seront nano-fabriqués et ajustés in-situ pour présenter une grande variété de transitions de phase quantique continues, et pour émuler la physique corrélée des systèmes 1D en interaction.

Des nano-circuits ajustables par effet de champ seront conçus pour permettre une comparaison quantitative, sans aucun paramètre ajustable, avec les prédictions analytiques et numériques. Dans les régimes hors de portée de la théorie, ces dispositifs constitueront de véritables simulateurs quantiques au sens le plus fort. Atteindre ce régime dit de suprématie quantique, ce que nous visons dans ce projet, constitue la justification principale du domaine de recherche consacré à simulation quantique. Par la combinaison avec des développements théoriques, notre but est d’avancer la compréhension de modèles centraux connectés aux fermions lourds, aux supraconducteurs haute Tc et aux conducteurs 1D en présence d’interactions. Nous nous attendons à mettre à jour de nouveaux phénomènes non-conventionnels lors de l’exploration de régimes fortement corrélés jusque-là vierge de toutes investigations expérimentales. Une récente illustration est l’observation par les partenaires 1 et 2 d’une conductance super-balistique, plus élevée que la limite quantique pour les électrons libres, qui n’avait pas été anticipée. Afin d’établir la compréhension la plus complète, cette physique sera abordée à travers une large palette d’approches tirant parti du remarquable arsenal de techniques expérimentales (transport électrique et de chaleur, fluctuations, réponse haute fréquence, températures ultra basses…) et théoriques (théorie des champs conformes, groupe de renormalisation, bosonisation…) à la disposition du consortium.

Le projet est structuré en deux grands objectifs :
O1) Criticalité quantique dans les modèles de type Kondo généralisé. Dans ce contexte, une compétition pour écranter le spin de l’impureté Kondo donne lieu à des transitions de phase quantiques de natures profondément différentes.
O2) Physique fortement corrélée des conducteurs 1D (liquides de Tomonaga-Luttinger et au-delà) avec des circuits mésoscopiques dissipatifs. Le projet est d’étudier la physique 1D avec des circuits permettant de la simuler quantiquement. Simultanément, l’objectif est d’avancer la compréhension des lois quantiques du transport dans de tels circuits quantiques composites.