Simulateur Quantique de Fermions avec pertes – LOQUST

La question de la dissipation dans les systèmes quantiques à plusieurs corps est un sujet d'intérêt considérable, pour des raisons fondamentales - associées à la compréhension de la manière dont les corrélations quantiques à plusieurs corps survivent en présence de décohérence - et pour le développement de plates-formes réalistes pour les technologies quantiques. Parallèlement à la question de savoir comment la dissipation peut nuire à la cohérence quantique, il a également été suggéré d'utiliser la dissipation pour créer des systèmes intéressants à plusieurs corps - un concept qui généralise celui du pompage optique. L'idée de l'ingénierie des états dissipatifs est d'introduire un couplage contrôlé avec un environnement qui peut induire des corrélations ou des symétries, et peut produire ou stabiliser des états quantiques corrélés. Notre projet, qui combine travaux théoriques et expérimentaux, est d’explorer une ingénierie dissipative d’états de spin collectifs pertinents pour la simulation quantique, et utiles pour les senseurs quantiques.
La plateforme expérimentale est un simulateur quantique à atomes ultrafroids qui réalise l'hamiltonien de Hubbard dans un réseau optique. Nous utiliserons des atomes de strontium 87, une espèce fermionique de spin 9/2 présentant une symétrie de spin SU(N) – le système est invariant par permutation de deux états de spin quelconques au sein de N états de spin, le nombre N pouvant être contrôlé à volonté entre 2 et 10. Des travaux théoriques antérieurs indiquent que des pertes à deux corps dans les systèmes SU(2) ou SU(3) offrent la possibilité de créer des états de Dicke généralisés fortement corrélés, qui sont intéressants pour la métrologie quantique. Notre projet est de vérifier expérimentalement cette possibilité, puis d'étudier sa généralisation pour des systèmes SU(N>3), tant du point de vue expérimental que théorique. Pour cela, nous utiliserons les raies étroites des atomes de strontium, qui peuvent server de transition d’horloge en métrologie des fréquences, qui nous permettront un excellent contrôle. En pratique, nous introduirons des pertes par photoassociation en utilisant ces transitions. En fonction du champ magnétique, ces pertes peuvent être sensibles ou insensibles au spin, ce qui permet de contrôler la force et la sélectivité en spin de la dissipation. Nous développerons également un nouveau schéma pour piloter à volonté les pertes à deux ou trois corps. En raison du caractère local des pertes et de la nature antisymétrique de la fonction d'onde, ces pertes à deux ou trois corps ciblent spécifiquement les états singulets SU(2) ou SU(3) respectivement. Ces capacités permettront d'étudier la dynamique quantique dissipative avec un contrôle total de la symétrie du Hamiltonien, de SU(2) à SU(10), et de la symétrie de la dissipation.
Lorsque les pertes sont faibles, nous nous attendons généralement à ce que le système soit pompé vers des états stationnaires qui favorisent les corrélations de type triplet. Nous étudierons ces états et réaliserons des séquences de Ramsey pour caractériser leur qualité métrologique. En outre, nous réaliserons la première étude de la dynamique des gaz en réseau SU(N) dans le régime de forte dissipation. Du fait de l'effet Zeno quantique, des états métastables fortement corrélés devraient émerger, avec des similitudes avec ceux qui apparaissent dans le modèle t-J à basse énergie. Dans les deux régimes, nous étudierons la robustesse de la dynamique et des états stationnaires ou métastables en présence d'inhomogénéités, afin d'évaluer l'utilité pratique de ces nouveaux états quantiques hautement symétriques qui peuvent apparaître spontanément dans ces systèmes. Par conséquent, les résultats de ce projet peuvent trouver des applications dans la détection et la simulation quantiques, qui seraient directement pertinentes pour les atomes alcalino-terreux qui sont actuellement au cœur des travaux sur les horloges optiques et les interféromètres atomiques.