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Projet « Ultracold Quantum Matter » (UQUAM)

Bourse ERC Synergy Grant
Jean Dalibard
p. 38
Traduction(s) :
“Ultracold Quantum Matter” Project (UQUAM)

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Texte intégral

1Le Conseil Européen de la Recherche a lancé en 2012 un appel d’offres baptisé Synergy, dont le but est de favoriser une recherche collaborative entre quelques groupes de recherche européens.

2Notre équipe, qui travaille actuellement au Laboratoire Kastler Brossel sur les condensats de Bose-Einstein, a la chance de figurer dans la liste des onze consortiums lauréats sur un thème qui peut paraître un peu mystérieux : la matière quantique ultra-froide.

3Au point de départ de ce projet se trouve l’interaction entre la lumière et la matière. Cette interaction a toujours joué un rôle central dans la compréhension de notre environnement. La physique quantique, qui décrit avec succès le monde microscopique, s’est développée grâce à l’analyse de la lumière émise et absorbée par une assemblée d’atomes ou de molécules. Mais ce n’est que depuis une vingtaine d’années que l’on sait manipuler et contrôler des systèmes quantiques individuels, un atome ou un photon, le grain élémentaire de lumière. C’est précisément ce progrès qu’est venu récompenser le prix Nobel de Physique 2012 décerné à notre Administrateur Serge Haroche et à David Wineland.

Copyright : Patrick Imbert, Collège de France

4Le physicien Richard Feynman, dans un texte visionnaire écrit dans les années 1980, a expliqué tout l’intérêt qu’il y aurait à disposer d’un contrôle équivalent, mais pour un grand nombre de particules. La matière artificielle ainsi produite pourrait nous permettre d’aborder certaines grandes questions, fondamentales ou pratiques, qui restent pour l’instant sans réponse. Citons-en deux : en comprenant mieux le phénomène de supraconductivité, peut-on concevoir des matériaux qui transporteront l’électricité sans perte pour les applications de la vie courante ? Par une utilisation judicieuse des concepts quantiques, peut-on réaliser de nouvelles mémoires permettant de stocker beaucoup plus d’information que nos disques durs actuels ?

5Pourquoi ces systèmes quantiques à grand nombre de particules présentent-ils un tel défi ? Nous savons comment les particules interagissent les unes avec les autres et nous n’avons donc pas de difficulté de principe à décrire le comportement de petits ensembles. En revanche, la complexité quantique rend extrêmement difficile la description d’une grande assemblée  ; considérons une chaîne de 100 spins, c’est-à-dire 100 aimants microscopiques pouvant exister dans deux configurations, pôle nord en haut ou en bas. La simple écriture de l’état quantique général de cette chaîne nécessiterait un ordinateur plus gros que tous ceux actuellement opérationnels. Et faire des calculs sur cet état quantique semble encore plus irréaliste…

6Feynman proposa alors une autre voie d’approche, la simulation quantique, qui est au cœur de notre projet Synergy. Elle se fonde sur l’universalité de la physique quantique  ; deux systèmes a priori différents peuvent être décrits par un formalisme similaire si certains paramètres leur sont communs : le rapport entre l’énergie d’interaction et la température par exemple, ou encore leur géométrie (linéaire, plane ou volumique). Notre système quantique modèle est formé d’une assemblée d’atomes ultra-froids, piégés dans une onde lumineuse. Ces atomes froids sont préparés grâce à des mécanismes identifiés notamment par Claude Cohen-Tannoudji (professeur au Collège de France et prix Nobel de physique 1997). Ils sont produits à une température qui n’est que de quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Grâce à des faisceaux lumineux, on dispose les atomes dans des « paysages » qui simulent d’autres environnements : périodiques pour modéliser les électrons d’un cristal, ou désordonnés pour l’étude de la propagation dans un milieu aléatoire. En formant un alignement d’une centaine d’atomes, on peut ainsi simuler la chaine de spins décrite plus haut. On laisse le système évoluer librement pendant une durée déterminée et on mesure son état final. La Nature fait le calcul à notre place, et l’universalité mentionnée plus haut garantit que le résultat obtenu pour nos atomes est également valable pour le système modélisé.

7Notre consortium sélectionné dans le cadre du projet Synergy comporte deux équipes de théoriciens, dirigées par Peter Zoller à Innsbruck et par Ehud Altman à l’Institut Weizmann en Israël, ainsi que deux équipes d’expérimentateurs, celle d’Immanuel Bloch à Munich et la nôtre, qui va bientôt s’installer à l’Institut de Physique du Collège de France. On ne pouvait espérer un meilleur soutien que cette aide de l’ERC, qui va nous permettre de démarrer très vite ces expériences nouvelles dans ce bâtiment entièrement rénové.

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Table des illustrations

Crédits Copyright : Patrick Imbert, Collège de France
URL http://lettre-cdf.revues.org/docannexe/image/1652/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 684k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Jean Dalibard, « Projet « Ultracold Quantum Matter » (UQUAM) », La lettre du Collège de France [En ligne], 36 | décembre 2013, mis en ligne le 03 février 2014, consulté le 21 novembre 2017. URL : http://lettre-cdf.revues.org/1652

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Auteur

Jean Dalibard

Professeur au Collège de France, titulaire de la chaire Atomes et rayonnement

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Droits d’auteur

© Collège de France

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