Corrélation quantique et transition de phase

Il suffit de regarder l’eau bouillir pour constater les changements dramatiques dans l’organisation de la matière lors d’un changement de phase. Au niveau quantique, les transitions de phase impliquent aussi des changements dramatiques, en particulier dans un phénomène très quantique, celui de l’enchevêtrement.

Dans un article paru récemment dans Physical Review Letters, une équipe de théoriciens de l’Institut quantique (Prs David Poulin et André-Marie Tremblay), du Royal Holloway à Londres (Caitlin Walsh, étudiante et le Pr Giovanni Sordi) et du laboratoire Brookhaven aux États-Unis (le chercheur Patrick Sémon) ont uni des concepts d’information quantique et de matériaux quantiques pour mettre en évidence les corrélations quantiques lors d’une transition de phase fondamentale pour les matériaux.

La recherche initiée par Giovanni Sordi s’est attaquée à un modèle mathématique où les interactions entre les électrons transforment un métal, où les électrons peuvent bouger librement, en un isolant, où les électrons se localisent. Cette transition entre métal et isolant, aussi connue sous le nom de transition de Mott, est un phénomène central pour la théorie des matériaux quantiques, comme les supraconducteurs à haute température.

De façon analogue à la transition liquide-gaz qui nous est familière avec l’ébullition de l’eau, cette transition métal-isolant a deux caractéristiques essentielles : elle est abrupte à basse température et se termine à haute température en un point critique où il n’y a plus de différence entre les deux phases. La découverte importante de cette équipe a été de montrer que toutes ces caractéristiques se manifestent dans des mesures clés des corrélations quantiques. En particulier, ils ont identifié comment les électrons étaient enchevêtrés et comment l’information mutuelle se modifie à la transition. Les électrons sont enchevêtrés lorsque la mesure de l’état d’un électron modifie instantanément l’état d’autres électrons. Et l’information mutuelle nous informe de la présence de corrélations, quelle que soit leur nature. Ces deux quantités sont reliées à des généralisations du concept d’entropie.

Les résultats de cette théorie peuvent être vérifiés par des expériences de pointe utilisant des simulateurs quantiques formés d’atomes ultrafroids où il est possible de mesurer les corrélations quantiques.