Une étude propose une approche généralisée des interactions lumière-matière

Une étude coordonnée par l’Université de Trente et l’Université de Chicago propose une approche généralisée des interactions entre les électrons et la lumière. À l’avenir, elle pourrait contribuer au développement des technologies quantiques ainsi qu’à la découverte de nouveaux états de la matière. L’étude est publiée dans Lettres d’examen physique

La compréhension des interactions entre particules quantiques est essentielle à la découverte de nouvelles molécules ou de nouveaux matériaux pouvant servir à de nouvelles applications technologiques ou médicales. Par exemple, lorsque des molécules ou des composés chimiques interagissent avec la lumière, leurs propriétés physiques peuvent changer considérablement.

Dans cette optique, la nouvelle discipline de la chimie polaritonique vise à déclencher de nouvelles réactions chimiques en utilisant la lumière comme catalyseur. Plus généralement, le contrôle des interactions lumière-matière permet de manipuler et de synthétiser de la nouvelle matière quantique.

Les travaux de recherche, comme toujours, progressent en émettant des hypothèses qu’il faut vérifier. Mais lorsque l’objet d’étude est un système quantique impliquant une multitude d’éléments différents, c’est-à-dire des électrons, des photons, des phonons, la situation peut être encore plus compliquée. Il est difficile de calculer avec précision la fonction d’onde d’un tel système, c’est-à-dire une fonction qui contient les informations physiques pertinentes pour faire des prédictions précises sur le comportement de nombreuses particules quantiques de plusieurs types.

Un groupe de chercheurs de l’Université de Chicago, coordonné par Carlos Leonardo Benavides-Riveros, chercheur au Département de physique de l’Université de Trente, et David A. Mazziotti de l’Université de Chicago, ont apporté une contribution à ce sujet.

Ils ont commencé avec un « ansatz », une prescription théorique qui peut les aider à prédire les interactions entre les particules dans un système quantique à plusieurs corps sur un ordinateur quantique. Ils ont ensuite généralisé cet ansatz pour traiter des systèmes qui contiennent plus d’un type de particules quantiques, par exemple des systèmes qui contiennent non seulement des électrons mais aussi des photons et/ou des phonons.

Pour le démontrer, les chercheurs ont simulé un algorithme quantique universel sur un ordinateur quantique IBM, avec zéro erreur théorique.

Et c’est là la nouveauté de cette étude : les chercheurs ont développé une approche unique qui peut être utilisée pour générer des prescriptions exponentielles (ansatzes) pour des systèmes quantiques à plusieurs corps avec plus d’un type de particules qui, une fois implémentées sur des dispositifs quantiques, produisent des fonctions d’onde exactes.

Selon les physiciens, cette solution ouvre également de nouvelles perspectives dans l’étude des états de la matière.

« Les systèmes quantiques, tels que les molécules ou les solides, tels que nous les trouvons dans la nature, ne contiennent jamais uniquement des électrons. De nombreuses propriétés fascinantes peuvent être créées ou supprimées lorsque la lumière interagit avec eux », explique Benavides-Riveros.

« Ce que nous avons fait », poursuit-il, « c’est d’introduire d’autres particules quantiques au-delà des électrons, comme les particules de lumière, communément appelées photons. Et en suivant notre formulation universelle du problème, nous pouvons comprendre la structure de sa fonction d’onde et donc ses propriétés physiques. »

« Parce que l’ansatz est particulièrement adapté aux ordinateurs quantiques, cette avancée ouvre de nouvelles possibilités d’utilisation des ordinateurs quantiques pour modéliser d’importants problèmes moléculaires dans l’interaction lumière-matière, comme ceux qui se produisent en chimie polaritonique », explique Mazziotti.