La chercheuse principale du CQT, Loh Huanqian, et son équipe créent des réseaux sans erreur contenant jusqu'à 225 atomes dans leur configuration automatisée alimentée par un algorithme unique. Ces photos montrent des atomes de rubidium simples soigneusement empilés dans des points lumineux dans des réseaux de la largeur d'un cheveu humain. L'équipe du chercheur principal du CQT, Loh Huanqian, a pris ces photos pour montrer comment ils peuvent assembler des atomes dans n'importe quel motif qui s'intègre dans une grille triangulaire de 15 par 15 (y compris le symbole de la tête de lion de Singapour). Les chercheurs détaillent le mécanisme et la méthode innovante qui rendent cela possible dans une publication publiée le 15 mars 2023 dans Physical Review Applied. L'article paraît également dans le journal de l'American Physical Society Physics.
Les chercheurs souhaitent travailler avec eux, car les réseaux d'atomes neutres peuvent être utilisés pour créer de puissantes simulations quantiques de matériaux, similaires aux pièces Lego qui peuvent être assemblées pour créer des prototypes de bâtiments. Les superordinateurs sont déjà utilisés par les scientifiques pour calculer les propriétés des matériaux, mais les calculs deviennent rapidement inopérants à mesure que davantage de particules sont ajoutées à la simulation. Les scientifiques peuvent modéliser directement des matériaux à l'aide d'un réseau d'atomes.
En utilisant cette méthode, le groupe CQT a réussi à fabriquer une taille de réseau moderne et sans erreur de 225 atomes à température ambiante. La perfection du motif est cruciale, car il a été constaté que des défauts ou des atomes manquants dans un réseau déforment le signal observé dans les simulations quantiques.
Tian Weikun, Wee Wen Jun, Qu An, Billy Lim Jun Ming, Prithvi Raj Datla et Vanessa Koh Pei Wen sont des étudiants chercheurs travaillant dans le laboratoire CQT de Huanqian et contribuant aux résultats rapportés en tant que co-auteurs de l'étude. Huanqian détient également le titre de vice-chancelier professeur de physique à l'Université nationale de Singapour.
Aligner les atomes en parallèle
L'équipe commence par capturer les atomes avec des faisceaux laser, souvent appelés pinces optiques, avant d'assembler les réseaux d'atomes. Il y a un facteur chance dans la capture d'atomes individuels, donc toutes les pincettes ne sont pas efficaces pour attraper un atome. Cela signifie que les chercheurs ont commencé avec 400 pincettes mais se sont retrouvés avec un ensemble d'atomes pleins de défauts.
Les atomes sont réalignés à l'étape suivante, créant un réseau cible plus compact et précis.
La stratégie de l'équipe sort de la norme ici. Auparavant, les atomes étaient déplacés un par un avec une seule pince optique supplémentaire après avoir déterminé le nombre minimum de mouvements requis. Les atomes ne restent pas éternellement dans leurs pièges, donc la réduction du nombre de mouvements, et donc du temps nécessaire au réarrangement, augmente la probabilité de produire une séquence sans erreur.
Au lieu de cela, Huanqian et son équipe ont créé un mécanisme qui accélère le réarrangement en utilisant plusieurs pincettes pour déplacer un grand nombre d'atomes à la fois. Dans ses expériences, jusqu'à 15 pincettes mobiles peuvent être utilisées pour déplacer simultanément les atomes et produire le réseau sans erreur. L'utilisateur peut spécifier le nombre maximum de pinces mobiles à utiliser.
Weikun, le premier auteur de l'article, compare les atomes en mouvement un par un à jouer du piano avec un seul doigt. Notre méthode permet de gagner beaucoup de temps car nous utilisons plus de doigts et jouons du piano plus rapidement. Par exemple, si nous devons déplacer 100 atomes, nous pouvons le faire en en déplaçant dix à la fois au lieu de 100 à chaque fois. Cela signifie que nous faisons dix fois moins de déplacements que d'habitude.
Les chercheurs ont créé un algorithme révolutionnaire qui détermine les meilleurs mouvements pour faire ce travail.
Une image montrant le chargement initial des atomes sert d'entrée à l'algorithme. L'image est convertie en une matrice binaire où 1 et 0 indiquent si un atome a été capturé avec succès par la pince à épiler. La séquence cible a également été précisée par les chercheurs.
La stratégie de réorganisation comporte deux volets. Le tri des lignes est le premier. Dans cette technique, les atomes des rangées sont redistribués sur les colonnes pour garantir que chaque colonne contient le nombre d'atomes requis pour la séquence cible. La deuxième méthode consiste à comprimer une colonne pour transférer les atomes à leurs positions souhaitées.
Le groupe a stipulé que l'algorithme déplace toujours les atomes à la même vitesse et maintient leur ordre pour empêcher les atomes d'entrer en collision avec le réseau pendant le mouvement.
Une fois que l'algorithme a terminé le calcul, il interagit avec le matériel. Les atomes sont réarrangés ligne par ligne puis colonne par colonne par des pincettes optiques qui agissent comme des bras mécaniques. L'approche du groupe, connue sous le nom d'algorithme de tri et de compression simultanés, peut terminer l'assemblage de la matrice en quelques millisecondes.
L'un des aspects les plus difficiles de l'expérimentation, selon Weikun, est le codage. "Notre algorithme examine la scène entière, conçoit l'ensemble du mouvement en une seule fois, vérifie les collisions, puis l'exécute."
Une subvention du programme d'ingénierie quantique de Singapour pour la "plate-forme évolutive et programmable de réseaux d'atomes pour la simulation quantique de la dynamique et de la physique des matériaux" a assuré un financement pour le projet en 2022. La Fondation nationale de recherche de Singapour, qui a décerné à Huanqian une bourse de cinq ans en 2018, soutient également ce programme.
La méthode innovante de l'équipe consistant à réaliser expérimentalement un réseau atomique 225 sans défaut a un taux de réussite de 33 %, ce qui est parmi les probabilités de réussite les plus élevées pour les assemblages à température ambiante documentés dans la littérature. L'équipe pense que l'utilisation de sources laser plus puissantes et plus puissantes augmentera leurs chances de succès.
Selon Huanqian, "Nous avons montré que notre approche peut être utilisée dans des géométries arbitraires qui sont attrayantes pour l'étude d'une variété de matériaux avancés, tels que le nid d'abeille, le kagome et le link-kagome, y compris le graphène, les supraconducteurs ou les fluides de spin quantique. "Nous avons également réorganisé des atomes individuels pour former le signe Lion Head pour montrer que nous l'avons fait à Singapour", a déclaré le scientifique. L'emblème Lion Head représente la qualité, la force et le courage. Ce symbole a été adopté comme symbole national en 1986.
Source : quantumlah.org/about/highlight
📩 19/03/2023 14:02