Mesurer le monde quantique

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Israël | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique
21 décembre 2018

Les technologies quantiques sont aujourd’hui un domaine florissant de la recherche en physique et en ingénierie. La perspective de fabriquer un jour un ordinateur quantique bien plus puissant que n’importe quel ordinateur classique ou bien de partager des informations cryptées dont la sécurité du transfert serait assurée par les lois de la physique ne se fera pas sans, tout d’abord, acquérir des connaissances profondes sur les lois de la physique quantique. Un phénomène physique au cœur de ces questions est celui des transitions de phases quantiques. Un groupe de chercheurs de l’Université Bar-Ilan a récemment effectué une série d’expériences importantes sur ce sujet.

Image. Fluctuations quantiques observées lors d'une transition de phase quantique. Les zones rouges et blanches correspondent à différentes valeurs du champ magnétique émanant du matériau (crédits : Beena Kalisky)

Image. Fluctuations quantiques observées lors d’une transition de phase quantique. Les zones rouges et blanches correspondent à différentes valeurs du champ magnétique émanant du matériau (crédits : Beena Kalisky)

Afin de développer les technologies quantiques qui promettent de révolutionner le monde de demain, il est nécessaire d’acquérir de profondes connaissances sur les lois de la mécanique quantique, ainsi que de développer des instruments capables de mesurer de tels phénomènes. C’est dans ce but qu’une équipe de chercheurs de l’Université Bar-Ilan, dirigée par Prof. Aviad Frydman et Prof. Beena Kalisky, ont développé un instrument capable de mesurer les effets associés aux transitions de phases quantiques, phénomène physique qui sera au cœur de ces technologies du futur.

Les transitions de phases dites classiques sont observables chaque jour par le commun des mortels. Faites bouillir de l’eau ou bien faites fondre un glaçon et vous observerez une transition de phase. En d’autres termes, il s’agit d’un changement de l’état (liquide, solide, gazeux) ou bien des propriétés d’un matériau. Si les transitions de phase qui nous sont familières se produisent lorsque l’on change la température d’un matériau, il est notamment possible d’observer de telles transitions en changeant la pression exercée sur celui-ci ou bien le champ magnétique qui l’entoure. Si les transitions de phases qui ont lieu dans l’eau de vos pâtes ou dans votre verre de pastis sont bien comprises car décrites très justement par la physique classique, les transitions de phases qui se produisent dans le monde microscopique nécessitent l’emploi des lois de la mécanique quantique pour être décrites précisément.

Dans ce monde microscopique, les familières bulles de vapeur deviennent par exemple des fluctuations quantiques dans le champ magnétique émis par les matériaux qui changent de phase. La compréhension du comportement de ces « bulles quantiques » est au cœur d’un vaste sujet de recherche. À l’aide d’un microscope capable de détecter des champs magnétiques extrêmement faibles, l’équipe de l’Université Bar-Ilan est parvenue à imager ces fluctuations quantiques pour la première fois (voir image ci-dessus), nous en apprenant plus sur ces phénomènes physiques fondamentaux, ouvrant ainsi la voie à l’analyse de systèmes quantiques complexes.

Sources :
https://www1.biu.ac.il/indexE.php?id=33&pt=20&pid=4&level=1&cPath=4&type=1&news=3209
https://www.nature.com/articles/s41567-018-0264-z

Rédacteur : Arnaud Courvoisier, doctorant à l’Institut Weizmann

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