Atomes de Rydberg circulaires protégés pour simulation quantique – ProRydAQS

Les simulateurs quantiques (SQ) attirent une forte attention des théoriciens et des expérimentateurs. Ils promettent la résolution d'une variété de problèmes difficiles, des problèmes classiques NP-hard aux problèmes quantiques complexes à plusieurs corps, qui sont hors de portée même des méthodes théoriques et numériques les plus avancées. Divers systèmes physiques ont été proposés et réalisés comme SQ prototypes. Pour chaque plateforme, on tente d'augmenter sa taille, d'améliorer le contrôle sur les particules et d'augmenter leur durée de vie pour élargir l'ensemble des problèmes solubles et pour dépasser les limites actuelles des méthodes théoriques. Certains de ces problèmes sont la dynamique quantique d’une évolution adiabatique, la dynamique après une variation brusque (quench), la thermalisation, etc. Cependant, l'augmentation de la taille et la préservation de la durée de vie sont, en général, incompatibles : la durée de vie d'un système de particules est inversement proportionnelle à leur nombre.

Les atomes de Rydberg, avec de longues durées de vie et de fortes interactions à longue portée, sont l'un des principaux candidats pour les SQ. Pour les atomes de Rydberg à faible moment angulaire, utilisés jusqu'à présent dans la plupart des plateformes SQ basées sur des atomes de Rydberg, la durée de vie atomique est limitée par l'émission spontanée et par le transfert thermique vers d'autres états par le rayonnement du corps noir. La durée de vie peut être augmentée en utilisant les états circulaires de moment angulaire maximal, en réduisant le rayonnement micro-onde thermique dans un environnement cryogénique et en inhibant l'émission spontanée avec des plaques conductrices autour des atomes. Les plaques séparées par une distance inférieure à la demi-longueur d'onde de la transition atomique l'inhiberont fortement. Pour tirer parti des longues durées de vie ainsi obtenues les atomes doivent être piégés par la force pondéromotrice de faisceaux laser. En codant deux états de spin sur des états de Rydberg circulaires, nous pourrons simuler l'hamiltonien XXZ de Heisenberg pour une chaîne de spin 1/2 dont les paramètres sont entièrement contrôlables par des champs de micro-ondes d'habillage, des champs électriques ou des champs magnétiques. Cette longue durée de vie permettra au SQ de fonctionner pendant un nombre d’échange typique de 10^5 avec un accès complet à toutes les observables de spin individuelles. Ceci permettra de simuler des problèmes dont on ne connait pas de solutions exactes comme par exemple des chaînes ne comportant que seulement 40 atomes, accessibles par le SQ proposé dans le projet.

L'objectif principal du projet est la réalisation d'une plateforme expérimentale de SQ avec des atomes de Rydberg circulaires piégés, protégés contre l'émission spontanée par une structure conductrice à une température cryogénique. Plus généralement, le projet vise à développer un outil supplémentaire pour contrôler les atomes de Rydberg en contrôlant aussi les modes de vide entourant les atomes et, par conséquent, à étendre l'ensemble des outils déjà disponibles pour leur manipulation. Enfin, la réussite du projet pourrait motiver l'étude et la réalisation de techniques similaires appliquées à d'autres systèmes SQ souffrant de relaxation spontanée et d'une durée de vie réduite. Le projet correspond à la création d'une nouvelle équipe de recherche au Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité (LCAR) à Toulouse en 2024.