Les systèmes physiques à grand nombre de particules, d’une importance capitale en physique, sont incroyablement complexes. Leur comportement, en effet, « ne doit pas être compris à travers une simple extrapolation des propriétés de quelques particules. Au contraire, à chaque niveau de complexité, des propriétés entièrement nouvelles émergent (…) » (P.W. Anderson [1]). L’avènement des technologies quantiques, et tout particulièrement de la simulation quantique, permet aujourd’hui d’aborder d’une façon nouvelle et prometteuse la physique de ces systèmes à N corps en interaction. Nous présentons ici l’apport des dispositifs à atomes froids, à travers deux exemples d’expériences aujourd’hui en construction au Laboratoire Kastler Brossel.
Les systèmes physiques à grand nombre de particules, d’une importance capitale en physique, sont incroyablement complexes. Leur comportement, en effet, « ne doit pas être compris à travers une simple extrapolation des propriétés de quelques particules. Au contraire, à chaque niveau de complexité, des propriétés entièrement nouvelles émergent (…) » (P.W. Anderson [1]). L’avènement des technologies quantiques, et tout particulièrement de la simulation quantique, permet aujourd’hui d’aborder d’une façon nouvelle et prometteuse la physique de ces systèmes à N corps en interaction. Nous présentons ici l’apport des dispositifs à atomes froids, à travers deux exemples d’expériences aujourd’hui en construction au Laboratoire Kastler Brossel.
Doublement couronné par le prix Nobel en 1997 et en 2001, le domaine des atomes froids est né il y a une trentaine d'années et connaît aujourd'hui un fantastique développement où la physique du solide rejoint la physique atomique. Les atomes froids sont l'objet d'études très fondamentales pour la mécanique quantique et pour l'information quantique. Leurs applications commencent à intervenir dans notre quotidien, par exemple via les horloges à fontaines d'atomes froids utilisées pour le GPS, et dont l'exactitude est meilleure qu'une seconde sur 300 millions d'années. Cet ouvrage expose en termes simples comment l'interaction de faisceaux lasers avec un gaz permet de refroidir ce gaz jusqu'à des températures descendant à quelques millionièmes de degrés au-dessus du zéro absolu et de piéger un petit nuage de quelques milliards d'atomes lévitant dans le vide. Il retrace aussi la découverte de la condensation de Bose-Einstein, ce nouvel état de la matière dans lequel tous les atomes se comportent comme s'ils étaient un seul et dont on peut extraire des « lasers à atomes ». L'ouvrage est illustré de nombreux schémas et présente d'une façon didactique l'essentiel des méthodes utilisées pour produire et utiliser les atomes froids.
Doublement couronné par le prix Nobel en 1997 et en 2001, le domaine des atomes froids est né il y a une trentaine d'années et connaît aujourd'hui un fantastique développement où la physique du solide rejoint la physique atomique. Les atomes froids sont l'objet d'études très fondamentales pour la mécanique quantique et pour l'information quantique. Leurs applications commencent à intervenir dans notre quotidien, par exemple via les horloges à fontaines d'atomes froids utilisées pour le GPS, et dont l'exactitude est meilleure qu'une seconde sur 300 millions d'années. Cet ouvrage expose en termes simples comment l'interaction de faisceaux lasers avec un gaz permet de refroidir ce gaz jusqu'à des températures descendant à quelques millionièmes de degrés au-dessus du zéro absolu et de piéger un petit nuage de quelques milliards d'atomes lévitant dans le vide. Il retrace aussi la découverte de la condensation de Bose-Einstein, ce nouvel état de la matière dans lequel tous les atomes se comportent comme s'ils étaient un seul et dont on peut extraire des « lasers à atomes ». L'ouvrage est illustré de nombreux schémas et présente d'une façon didactique l'essentiel des méthodes utilisées pour produire et utiliser les atomes froids.
Les quasi-cristaux sont des solides ordonnés à longue distance sans symétrie de translation, présentant des symétries rotationnelles qui sont interdites pour les cristaux normaux, par exemple d'ordre 5, 7, 8, ... Leur découverte en laboratoire dans les années 1980 a entraîné un changement de paradigme en cristallographie, révolutionnant notre compréhension de la structure possible des solides. Depuis lors, les quasi-cristaux ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs propriétés intrigantes, notamment les quasi-particules phasoniques, les propriétés de transport, le spectre d'énergie complexe, l'ordre topologique non trivial et la localisation de type Anderson. Un outil puissant pour étudier les propriétés physiques des quasi-cristaux est la simulation quantique. Avec la réalisation de systèmes atomiques ultrafroids dans les années 1990 et les développements rapides qui ont suivi, un nouveau terrain de jeu pour la physique quantique à plusieurs corps s'est ouvert. En particulier, le contrôle précis des paramètres physiques et les différents outils de mesure dans un système atomique froid en font une plateforme prometteuse pour la simulation quantique.Un potentiel quasipériodique unidimensionnel dans les expériences sur les atomes froids peut être créé en superposant plusieurs faisceaux laser avec des périodes incommensurables.Au cours des dernières années, les atomes froids dans des potentiels quasipériodiques unidimensionnels ont été largement étudiés. Un réseau optique bidimensionnel formant un potentiel quasi-cristallin peut également être créé par certaines configurations géométriques de faisceaux laser. Cela a été proposé pour la première fois théoriquement en 2005 et réalisé dans des expériences sur les atomes froids en 2019, suivant une configuration proposée en 2013. La localisation de bosons faiblement interactifs dans ce système a été rapportée. Avec ces avancées dans les expériences, les études théoriques sur les atomes froids bidimensionnels dans des potentiels quasicristaux commencent également à gagner du terrain.Dans cette thèse, nous présentons une étude théorique de la simulation quantique de quasicristaux bidimensionnels avec des atomes froids. Nous discutons des propriétés des particules individuelles et des diagrammes de phase thermodynamiques pour des bosons bidimensionnels dans un potentiel quasi-cristallin peu profond.
Dynamiques de l'intrication et des corrélations dans les simulateurs quantiques Les plateformes de simulation quantique telles que les atomes froids, les circuits supraconducteurs et les ions piégés permettent l'étude expérimentale des systèmes quantiques à plusieurs corps, avec des implications majeures pour les technologies quantiques. Dans cette thèse, nous étudions comment l'intrication et les corrélations se développent dans de tels systèmes, et comment elles peuvent être exploitées à la fois pour l'étude théorique de modèles pertinents en physique de la matière condensée, et pour des applications pratiques en métrologie quantique. Nous commençons par nous concentrer sur la préparation adiabatique des états fondamentaux de systèmes quantiques à plusieurs corps. En particulier, nous montrons que les simulateurs quantiques peuvent sonder le lien entre la dégénérescence spectrale et la brisure spontanée de symétrie, tel que formulé par P.W. Anderson. Nous démontrons que des systèmes de spins 1/2 en nombre impair, présentant une symétrie de renversement temporel, possèdent une aimantation nette même en dehors de la limite thermodynamique, grâce à une dégénérescence spectrale exacte. De plus, l'état à symétrie brisée présente de la compression de spin (spin squeezing) qui croit d'autant plus que le système est grand, une ressource clé pour la métrologie quantique. Nous nous tournons ensuite vers un autre paradigme d'évolution : la dynamique de quench. En particulier, nous montrons que le suivi de l'évolution en temps réel des corrélations permet la mesure expérimentale de la relation de dispersion des excitations fondamentales. Dans le cas de systèmes bidimensionnels à ordre à longue portée, comme le modèle XY dipolaire, ces excitations sont des ondes de spin, menant à des signatures marquées dans l'évolution des fonctions de corrélation à deux points. En revanche, dans les systèmes unidimensionnels, les excitations fondamentales ont une nature fermionique, et leur détection nécessite la mesure de fonctions de corrélation non locales. Ces dernières, inaccessibles en matière condensée, sont en revanche particulièrement adaptées aux simulateurs quantiques disposant de degrés de liberté adressables individuellement.
Atomes froids dans des quasi-cristaux bidimensionnels Les quasi-cristaux sont des solides ordonnés à longue distance sans symétrie de translation, présentant des symétries rotationnelles qui sont interdites pour les cristaux normaux, par exemple d'ordre 5, 7, 8, ... Leur découverte en laboratoire dans les années 1980 a entraîné un changement de paradigme en cristallographie, révolutionnant notre compréhension de la structure possible des solides. Depuis lors, les quasi-cristaux ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs propriétés intrigantes, notamment les quasi-particules phasoniques, les propriétés de transport, le spectre d'énergie complexe, l'ordre topologique non trivial et la localisation de type Anderson. Un outil puissant pour étudier les propriétés physiques des quasi-cristaux est la simulation quantique. Avec la réalisation de systèmes atomiques ultrafroids dans les années 1990 et les développements rapides qui ont suivi, un nouveau terrain de jeu pour la physique quantique à plusieurs corps s'est ouvert. En particulier, le contrôle précis des paramètres physiques et les différents outils de mesure dans un système atomique froid en font une plateforme prometteuse pour la simulation quantique.Un potentiel quasipériodique unidimensionnel dans les expériences sur les atomes froids peut être créé en superposant plusieurs faisceaux laser avec des périodes incommensurables.Au cours des dernières années, les atomes froids dans des potentiels quasipériodiques unidimensionnels ont été largement étudiés. Un réseau optique bidimensionnel formant un potentiel quasi-cristallin peut également être créé par certaines configurations géométriques de faisceaux laser. Cela a été proposé pour la première fois théoriquement en 2005 et réalisé dans des expériences sur les atomes froids en 2019, suivant une configuration proposée en 2013. La localisation de bosons faiblement interactifs dans ce système a été rapportée. Avec ces avancées dans les expériences, les études théoriques sur les atomes froids bidimensionnels dans des potentiels quasicristaux commencent également à gagner du terrain.Dans cette thèse, nous présentons une étude théorique de la simulation quantique de quasicristaux bidimensionnels avec des atomes froids. Nous discutons des propriétés des particules individuelles et des diagrammes de phase thermodynamiques pour des bosons bidimensionnels dans un potentiel quasi-cristallin peu profond.
La seconde révolution quantique utilise aujourd'hui les concepts quantiques de superposition ou d'intrication d'objets microscopiques que l'on a appris à contrôler individuellement. Les capteurs tels que gyromètres, gravimètres, horloges à atomes froids fournissent déjà des outils d'une sensibilité insurpassable. Des problèmes inaccessibles aux supercalculateurs trouvent des solutions avec des simulations pour la physique de systèmes formés d'un grand nombre d'objets quantiques en interaction, tandis que les travaux sur l'ordinateur quantique se multiplient. Enfin les communications à distance vont bientôt pouvoir être mieux sécurisées grâce aux progrès de la cryptographie quantique.