Simulateurs quantiques 1D avec des photons et des atomes – Quantum-SOPHA

Les systèmes à plusieurs corps en interaction, en dimension réduite, offrent des surprises et des défis aux expérimentateurs comme aux théoriciens. Les systèmes unidimensionnels (1D) sont uniques en leur genre, car l'effet des interactions et des corrélations y est renforcé du fait que les particules ne peuvent pas se contourner les unes les autres, ce qui fait de l'étude de la dynamique quantique d’un système à plusieurs corps arbitraire un défi ouvert. Cela offre non seulement des perspectives fascinantes pour la compréhension de la dynamique et de la thermalisation à temps longs, mais a également de nombreuses applications dans plusieurs domaines, notamment l'information quantique, la manipulation des états quantiques, l'optique quantique et la physique mésoscopique. Il est important de noter que l'étude des systèmes en 1D est également la première étape pour évaluer les simulateurs quantiques avant de résoudre des cas de dimensions supérieures.
Expérimentalement, les systèmes quantiques en 1D sont réalisés en piégeant des particules dans un confinement transversal serré, de sorte que l'échelle d'énergie transverse est beaucoup plus grande que toutes les autres échelles d'énergie du problème (potentiel chimique, température, fréquence d'excitation, etc.). On trouve des exemples de systèmes en 1D dans diverses plateformes physiques, des nanofils aux polymères organiques.
Ce projet vise à construire deux simulateurs quantiques analogues de bosons en interaction en 1D (Hamiltonien de Lieb-Liniger), afin d'étudier une dynamique quantique à la fois proche et loin de l'équilibre.
Il s'appuie sur deux plateformes expérimentales complémentaires : des atomes ultra-froids piégés sur une puce atomique et un fluide quantique de lumière en géométrie de propagation.
Notre projet s'articule autour de la complémentarité entre ces deux plateformes expérimentales et de la synergie entre les groupes expérimentaux et théoriques.
En utilisant ces deux plateformes, nous aborderons deux questions fondamentales relatives aux systèmes quantiques en 1D hors équilibre au-delà du champ moyen : i) à de faibles amplitudes d'excitation, nous étudierons le spectre d'excitation du système de Lieb-Liniger, en nous concentrant en particulier sur la branche d'excitation de Lieb-II liée aux solitons quantiques ; ii) nous étudierons la dynamique fortement hors équilibre à la suite de trempes quantiques en 1D.
Ce projet permettra d'étudier des gaz quantiques en 1D isolés, ce qui permettra de mesurer leurs propriétés avec une grande précision, contournant ainsi les limites des réalisations expérimentales précédentes. L'un des principaux points forts de notre projet est de combiner deux simulateurs quantiques aux propriétés et avantages complémentaires. En particulier, la plateforme atomique permettra une mise en œuvre directe du Hamiltonien de Lieb-Liniger avec des conditions aux limites à parois dures, tandis que la plateforme photonique fournira naturellement des conditions aux limites périodiques (piège en anneau).
De plus, nos simulateurs atomiques et photoniques permettent de mesurer les corrélations spatiales avec des techniques complémentaires et d'étudier la dynamique suite à l'extinction d'un paramètre, par exemple la force d'interaction ou l'empreinte de phase.
Le développement en parallèle de ces deux simulateurs permettra de comparer systématiquement leurs résultats, même lorsque les prévisions théoriques ont une précision limitée.