Des scientifiques de l’Université de Rostock, en Allemagne, ont pu recréer des propriétés physiques fondamentales du domaine de la physique des particules élémentaires dans un système photonique. Les résultats sont publiés dans la célèbre revue scientifique « Nature Physics ».
Circuit photonique intégré adapté à la simulation de particules élémentaires. Crédit image : Vera Neef/Université de Rostock
Dans leurs recherches fondamentales, les physiciens expérimentaux utilisent régulièrement des machines gigantesques mais complexes : des accélérateurs de particules de taille énorme écrasent des particules microscopiques à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, libérant des quantités inimaginables d’énergie.
Dans les vestiges de ces collisions, les scientifiques recherchent les signatures des forces fondamentales de l’univers. Depuis les années 1970, un véritable zoo de particules a été découvert et organisé dans le modèle standard de la physique des particules. Parmi eux se trouvent les quarks, les éléments constitutifs élémentaires des protons et des neutrons.
Ces particules inhabituelles obéissent à des propriétés propres, assez idiosyncratiques, qui les distinguent de toute autre forme de matière. Par exemple, alors qu’il n’y a qu’un seul type de charge électrique, qui peut être positive ou négative, le comportement des quarks obéit à des lois physiques complètement différentes.
Prof. Stefan Scheel, chef du groupe de recherche optique quantique des systèmes macroscopiques à l’Université de Rostock explique : « En plus de leur charge électrique, les quarks s’accompagnent de leur propre frais de couleur: rouge, vertou bleu. Ceci, bien sûr, n’a rien à voir avec les couleurs trouvées dans un arc-en-ciel.
C’est en raison de ce comportement particulier que les quarks individuels échappent obstinément à toute observation directe. Récemment, le groupe de scientifiques allemands a réussi à étudier les symétries fondamentales des quarks en préparant la lumière dans une configuration analogue.
Prof. Alexander Szameit, chef du groupe de recherche optique expérimentale à l’état solide à l’Université de Rostock, décrit l’approche expérimentale : « En utilisant des impulsions laser de haute intensité, nous inscrivons des circuits pour la lumière dans un humble morceau de verre. Dans de telles puces photoniques, des phénomènes complexes peuvent être modélisés, la charge de couleur des quarks n’étant que l’un d’entre eux.
Afin de simuler cette charge, les scientifiques de Rostock ont dû exploiter les propriétés exotiques de la lumière quantique. Particules de lumière (appelées photons), sont non seulement capables d’exister à plusieurs endroits en même temps, mais un nombre arbitraire d’entre eux peuvent également exister exactement au même endroit.
« De cette manière, des soi-disant holonomies peuvent être conçues lorsque les photons se propagent à travers les circuits photoniques. Ces objets abstraits sont généralement le terrain de jeu des mathématiciens. Mais, en fin de compte, ils décrivent également les symétries possibles d’un système quantique et ont quelques propriétés très intéressantes. Par exemple, ils ne dépendent pas du temps qui passe, une rareté en physique. dit Vera Neef, l’un des principaux auteurs de l’ouvrage, alors que son doctorat. s’articule autour du nouveau domaine de l’optique quantique holonome.
Le deuxième auteur principal, Julien Pinske, qui dans son doctorat. étudie les holonomies du point de vue de la physique théorique, précise : « Afin de simuler les trois charges de couleurs différentes, il était nécessaire de concevoir une holonomie tridimensionnelle. Jusqu’à présent, seuls les photons font l’affaire, et cela va au-delà de notre intuition quotidienne de la nature.“
Dans l’attente de leur première réalisation expérimentale de cet effet, le groupe de scientifiques anticipe des connaissances plus approfondies sur la physique fascinante du quark. Au-delà de l’étude de cette physique fondamentale, les résultats rapportés pourraient s’avérer utiles dans la conception de futures technologies quantiques, y compris les ordinateurs quantiques. Là, les holonomies pourraient s’avérer être l’ingrédient crucial sur lequel quantum peut être rendu suffisamment résistant pour un usage commercial.
Le soutien financier de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) dans le cadre de la SFB LiMaTi ainsi que de la Fondation Alfried Krupp von Bohlen et Halbach est grandement apprécié.
Publication: Neef, Vera; Pinske, Julien, et. Al. « Holonomie quantique tridimensionnelle non abélienne », Nature Physics (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01807-5 https://www.nature.com/articles/s41567-022-01807-5
