Explorer les Systèmes Quantiques qui ne trouvent pas d’équilibre
Certains systèmes physiques, en particulier dans le monde quantique, n’atteignent pas une stabilité stable après une longue période. Un chercheur de l’ETH a maintenant localisé une description sophistiquée de cette sensation.
Si vous mettez une bouteille de bière dans une immense baignoire remplie d’eau froide, vous ne tarderez pas à déguster une bière fraîche. Les physiciens ont découvert comment cela fonctionne plus de cent ans plus tôt. L’échange de chaleur se produit à travers le récipient en verre jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint.
Cependant, il existe d’autres systèmes, en particulier les systèmes quantiques, qui ne localisent pas d’équilibre. Ils ressemblent à une bouteille de bière théorique dans un bain d’eau glacée qui ne s’adapte pas constamment et sans aucun doute au niveau de température de l’eau de la salle de bain ; cependant, il atteint à la place des états différents en fonction de sa première température. Auparavant, de tels systèmes ont intrigué les physiciens. Mais Nicolò Defenu, postdoctorant à l’Institut de physique théorique de l’ETH Zurich, a maintenant découvert un moyen de clarifier ce comportement avec élégance.
Une influence plus lointaine
Principalement, nous parlons de systèmes dans lesquels la fondation individuelle a un impact sur ses voisins immédiats et les choses mieux. Un exemple serait une galaxie : les forces gravitationnelles des étoiles spécifiques et des systèmes planétaires n’agissent pas seulement sur les objets célestes avoisinants, mais bien au-delà, quoique de plus en plus faiblement sur les autres éléments de la galaxie.
La technique de Defenu commence par simplifier le problème à un monde avec une seule mesure. Il y a un bit quantique solitaire qui peut rester juste à des endroits très détaillés le long d’une ligne. Ce monde ressemble à un jeu de société comme Ludo, où un petit jeton saute de carré en carré. Supposons qu’il y ait un dé de jeu vidéo dont les faces sont toutes marquées « un » ou « moins un », et supposons que le joueur lance le dé encore et encore un par un. Le jeton sautera vers une case voisine, et à partir de là, il sautera soit en arrière, sinon sur la case suivante. Et plus.
La préoccupation est la suivante : que se passe-t-il si le joueur lance la passe un nombre illimité de fois ? S’il n’y a que quelques cases dans le jeu vidéo, le jeton reviendra sans aucun doute à son facteur de départ de temps en temps. Néanmoins, il est impossible de prédire avec précision où il ira à un moment donné puisque les lancers de dé sont inconnus.
Retour à la case départ
C’est une circonstance similaire avec les bits qui sont soumis à la législation des techniciens quantiques : il n’y a aucun moyen de reconnaître précisément où ils vont à un moment donné. Cependant, il est possible d’établir leur localisation à l’aide de distributions de probabilité. Chaque distribution résulte de diverses superpositions des probabilités pour les zones privées et correspond à l’état de puissance spécifique du fragment. Il s’ensuit que la variété de certains états de puissance accompagne la variété des niveaux de flexibilité du système et correspond ainsi précisément au nombre d’emplacements autorisés. Le point crucial est que toutes les distributions de probabilité sécurisées sont non nulles au facteur de départ. Ainsi, à un moment donné, le jeton revient à sa case de départ.
Plus il y a de cases, moins le jeton reviendra sans doute à son facteur de départ ; finalement, avec une variété infinie de carrés réalisables, il ne reviendra jamais. Pour le fragment quantique, cela indique un nombre illimité de manières dont les chances des zones individuelles peuvent être incorporées pour créer des circulations. Ainsi, il ne peut occuper que des états d’énergie discrets spécifiques ; cependant, tous les possibles sont dans un spectre constant.
Rien de tout cela n’est une nouvelle connaissance. Cependant, il existe des variantes du jeu ou des systèmes physiques où le dé peut également avoir un numéro plus important qu’un et plus petit que moins un, c’est-à-dire que les actions autorisées par relocalisation peuvent être plus grandes – pour être précises, aussi certainement énormes. Cela change essentiellement la donne, comme Defenu l’a maintenant montré : dans ces systèmes, la gamme d’énergie reste toujours discrète, même lorsqu’il y a des carrés illimités. Cela implique que de temps en temps, la particule reviendra sans aucun doute à son point de départ.
Phénomènes étranges
Ce nouveau concept clarifie ce que les chercheurs ont actuellement observé parfois dans l’expérimentation : les systèmes dans lesquels se produisent des interactions à longue distance n’atteignent pas un équilibre stationnaire, mais plutôt un état métastable dans lequel ils retournent toujours à leur emplacement initial. En ce qui concerne les galaxies, c’est un facteur qu’elles établissent des bras spiraux plutôt que d’être des nuages cohérents. La densité de célébrités est plus élevée à l’intérieur de ces bras qu’à l’extérieur.
Un exemple de systèmes quantiques qui peut être expliqué avec le concept de Defenu est celui des ions, qui sont des atomes facturés piégés dans des zones électriques. L’utilisation de telles captures d’ions pour développer des systèmes informatiques quantiques fait actuellement partie des travaux de recherche les plus approfondis au monde. Néanmoins, pour que ces ordinateurs fournissent une modification progressive en termes de puissance de calcul, ils auront sans aucun doute besoin d’un nombre considérable d’ions piégés à la fois – ce qui est précisément le facteur auquel le nouveau concept devient intéressant. « Dans les systèmes avec une centaine d’ions, voire plus, vous verriez des impacts particuliers que nous pouvons actuellement expliquer », déclare Defenu, membre du groupe du professeur de l’ETH Gian Michele Graf. Ses collègues de la physique spéculative se rapprochent chaque jour de l’objectif d’avoir la capacité de comprendre de tels développements.
Lire l’article original sur PHYS.
Référence: Nicolò Defenu, Metastability and discrete spectrum of long-range systems, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2101785118
