Vladimir Manucharyan reçoit une bourse Consolidator Grant
Vladimir Manucharyan. Crédit: EPFL
Le professeur Vladimir Manucharyan de la Faculté des sciences de base de l'EPFL a reçu un Consolidator Grant pour poursuivre ses recherches en électrodynamique quantique.
Les subventions de consolidation du Conseil européen de la recherche (CER) sont accordées chaque année à des chercheurs de toute nationalité ayant 7 à 12 ans d'expérience dans la recherche après l'obtention de leur doctorat, ainsi que "des antécédents scientifiques démontrant un talent scientifique et une excellente proposition de recherche".
Les subventions font partie du programme Horizon Europe de l'UE et soutiendront les chercheurs en milieu de carrière, en les aidant à consolider leurs équipes et à mener des "recherches pionnières sur des sujets et avec des méthodes de leur choix".
En raison du statut actuel de la Suisse en tant que pays tiers non associé au programme de recherche et d'innovation Horizon Europe, le gouvernement fédéral a mandaté le FNS pour lancer le programme de financement SNSF Consolidator Grants 2023. Ce programme s'adresse aux chercheuses et chercheurs qui souhaitent déposer une requête pour un ERC Consolidator Grant dans le but de mener des recherches en Suisse et de consolider leur indépendance scientifique.
Cette année, l'un des Consolidator Grants a été attribué au professeur Vladimir Manucharyan de la Faculté des sciences de base de l'EPFL. Manucharyan dirige le Laboratoire d'information quantique avec supraconducteurs, où ses recherches se concentrent sur l'informatique quantique avec des qubits supraconducteurs, opérant à l'interface de la physique du solide, de l'optique quantique, de l'ingénierie des micro-ondes et de la science de l'information.
La subvention (1'823'276 CHF) financera un projet intitulé "Électrodynamique quantique sans photons". La recherche vise à explorer une nouvelle physique en créant un environnement extrême où les photons, particules de lumière normalement stables, ne se comportent plus comme des particules indépendantes. À l'aide d'une technologie supraconductrice de pointe, le groupe de M. Manucharyan prévoit de créer un système dans lequel les photons interagissent fortement, ce qui conduit à des états multiparticulaires complexes.
En étudiant ce régime "sans photon", qui n'a jamais été atteint auparavant, M. Manucharyan espère obtenir de nouvelles informations sur la dynamique quantique et sur le comportement des particules dans les systèmes à forte interaction. Ces résultats pourraient ouvrir la voie à de nouvelles méthodes d'étude de la physique quantique, sans qu'il soit nécessaire de disposer d'un ordinateur quantique pleinement opérationnel.
Certains des phénomènes les plus intrigants de la physique moderne sont ceux qui ne peuvent être décrits par la notion de quasiparticules, des excitations élémentaires du système qui se comportent comme des particules n'interagissant pratiquement pas. Les exemples concernent généralement des systèmes à plusieurs corps en interaction forte au voisinage d'un point critique quantique. En étendant l'analogie des quasiparticules au rayonnement, on peut considérer les photons dans un milieu non linéaire comme des quasiparticules du vide électromagnétique interagissant faiblement. En fait, les non-linéarités conventionnelles des matériaux sont si faibles que la durée de vie induite par l'interaction d'une excitation photonique unique (un effet connu sous le nom de conversion spontanée vers le bas) est bien plus longue que le temps d'absorption du matériau. Par conséquent, le photon est une notion stable dans tous les systèmes physiques étudiés à ce jour.
Que se passerait-il si l'on créait un milieu avec une non-linéarité si extrême que la durée de vie d'un seul photon serait plus courte que toutes les autres échelles de temps pertinentes dans le système ? Dans ce cas, la notion même de photon en tant qu'excitation élémentaire du champ électromagnétique devient vague, car le champ est constitué à tout moment d'une superposition potentiellement très complexe d'états de Fock à plusieurs particules. La dynamique de tels champs électromagnétiques "sans photons" est une véritable terra incognita dans la théorie de l'équilibre quantique. Elle est d'un immense intérêt pour la physique statistique quantique dans le contexte de la thermalisation dans les systèmes quantiques fermés en interaction. Notre proposition vise à mettre en œuvre et à explorer le régime "sans photon" susmentionné de la QED en utilisant les innovations récentes dans la technologie des qubits supraconducteurs : guides d'ondes à ultra-haute impédance et qubits de fluxonium hautement anharmoniques.
Plus précisément, nous allons concevoir une interaction photon-photon accordable en utilisant une cavité massivement multimode couplée à un ou plusieurs qubits. Lorsque le qubit est faiblement couplé, les modes électromagnétiques dans la cavité sont bien définis, alors que lorsque le couplage augmente et que le modèle spin-boson approche son point critique dissipatif, la dynamique du système commence à couvrir un espace de Fock à plusieurs corps exponentiellement grand d'états de rayonnement multiparticulaires. De tels systèmes n'ont pas été possibles auparavant en raison de l'absence de non-linéarité dans les qubits transmoniques couramment utilisés et du manque de cohérence dans les premières expériences sur les qubits de flux hautement anharmoniques. Notre approche est basée sur notre récente démonstration du scénario de non-thermalisation Altshuler-Gefen-Kamenev-Levitov [Altshuler et al. Physical Review Letters 78, 2803 (1997)] pour un photon unique excité à l'intérieur d'une cavité multimode en interaction [N. Mehta et al. Nature 613 (2023)].
Nous poursuivrons un large éventail de techniques spectroscopiques et temporelles pour caractériser le rayonnement dans une cavité massivement multimode dans les régimes d'interactions plus faibles et plus fortes. Ces techniques comprennent la spectroscopie directe, la spectroscopie du qubit ancillaire et les expériences d'extinction de l'interaction. Grâce à ces techniques, nous identifierons les limites de l'intensité de l'interaction photon-photon qui est possible par nature (dans le cadre du circuit QED), nous développerons des méthodes pour modifier la connectivité de l'espace de Fock à plusieurs corps et nous observerons les scénarios de thermalisation et de non-thermalisation qui en résultent. En cas de succès, notre projet introduira une plateforme nouvelle et efficace pour étudier la dynamique quantique profonde de nombreux corps sans avoir besoin d'un ordinateur quantique entièrement contrôlé. Il y a également de bonnes chances de rencontrer de nouveaux phénomènes et de stimuler le développement de nouvelles méthodes théoriques dans la QED à interaction forte.