Dynamical onset of quasiprobability negativity in quantum many-body systems

Dans le monde de l'infiniment petit, les règles de la probabilité se comportent différemment de celles de notre vie quotidienne. Dans le monde macroscopique que nous habitons, si vous lancez une pièce, la chance qu'elle retombe sur pile est un nombre positif, et la chance pour face est un autre nombre positif. Même si vous ne connaissez pas le résultat, les mathématiques décrivant votre incertitude s'additionnent toujours pour donner un entier positif. Mais dans le royaume quantique, où vivent les atomes et les particules subatomiques, les mathématiques qui décrivent l'état d'un système peuvent descendre dans les nombres négatifs. Il ne s'agit pas d'erreurs ou de bugs ; c'est une signature fondamentale que le système se comporte d'une manière qui n'a pas de contrepartie classique. Les physiciens appellent cela des « quasi-probabilités ». C'est un outil utilisé pour décrire ce qui se passe lorsque vous mesurez un système quantique à un instant donné, puis que vous le mesurez à nouveau plus tard. Si les nombres de cette description restent positifs, le système pourrait théoriquement être expliqué par une logique classique à l'ancienne. Mais si les nombres deviennent négatifs, cela prouve que le système présente une véritable interférence quantique, un phénomène où l'historique de la mesure importe d'une manière qui défie l'intuition classique.

Pendant des décennies, les scientifiques savaient que ces nombres négatifs existaient en théorie et en avaient observé dans des expériences simples et isolées. Cependant, une question majeure restait sans réponse pour les systèmes complexes composés de nombreuses particules en interaction : quand exactement cette négativité apparaît-elle ? Si vous partez d'un système quantique et que vous le laissez évoluer au fil du temps, combien de temps faut-il avant que le premier nombre négatif ne se manifeste dans les statistiques de mesure ? Ce n'est pas seulement une curiosité théorique. Savoir le moment précis où un système passe d'un comportement classique à un comportement quantique est crucial pour comprendre comment l'information quantique se propage et à quel point les états quantiques sont fragiles dans le monde réel. C'est la différence entre savoir qu'un verre est fragile et savoir exactement combien de secondes il faut à une vibration spécifique pour le briser.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Bar-Ilan en Israël a maintenant cartographié cette chronologie pour un type spécifique de système quantique complexe. Ils se sont concentrés sur une chaîne de particules en interaction, un modèle connu sous le nom de chaîne d'Ising, souvent utilisée pour comprendre le magnétisme. Les chercheurs ont développé une nouvelle façon de suivre la « première négativité », qui est simplement le moment le plus précoce dans le temps où une valeur négative apparaît dans la distribution de quasi-probabilité d'une séquence de mesures. En simulant l'évolution de cette chaîne sous différentes conditions, ils ont découvert que le timing de cette transition quantique n'est pas aléatoire ; il est étroitement contrôlé par la force des forces agissant sur les particules, la température du système, et même la distance entre les points où les mesures sont prises.

Les chercheurs ont constaté que le comportement du système change radicalement selon quelle force est la plus forte : l'interaction entre les particules elles-mêmes ou un champ magnétique externe appliqué à celles-ci. Lorsque l'interaction entre les particules est la force dominante, le système prend un certain temps pour développer une négativité, et ce temps est relativement stable, quelle que soit la longueur de la chaîne de particules. Cependant, lorsque le champ magnétique externe est la force dominante, le temps nécessaire pour que la négativité apparaisse diminue rapidement à mesure que le champ se renforce. Dans ce régime, le système devient quantique beaucoup plus vite. L'étude a également révélé que la température joue un rôle critique. Au zéro absolu, la transition vers la négativité est nette et distincte. Mais à mesure que la température augmente, le bruit thermique commence à effacer ces effets quantiques. Les chercheurs ont observé qu'à des températures suffisamment élevées, la négativité disparaît entièrement, ce qui signifie que le système revient à un comportement pouvant être décrit par une probabilité classique, même s'il s'agit toujours d'un système quantique.

La découverte la plus frappante concerne la manière dont ce comportement quantique se propage à travers le système. Lorsque les chercheurs mesuraient des particules éloignées les unes des autres, ils ont observé un délai clair dans l'apparition de la négativité. Le temps nécessaire pour que les valeurs négatives apparaissent aux extrémités opposées de la chaîne augmentait à mesure que la chaîne elle-même s'allongeait. Ce délai n'était pas aléatoire ; il correspondait au temps qu'un signal mettrait pour voyager de manière balistique, c'est-à-dire à une vitesse constante, d'un bout à l'autre de la chaîne. Cela suggère que la « quanticité » du système se propage comme une onde, passant de particule en particule jusqu'à atteindre le point de mesure distant. En revanche, lorsqu'on mesure une particule seule, le timing de la négativité était largement indépendant de la taille du reste du système, soulignant que l'apparition du comportement quantique peut être un événement très local.

L'équipe a également exploré ce qui se passe lorsqu'ils brisent la symétrie parfaite du système en ajoutant un type différent de champ magnétique. Dans la version parfaitement symétrique, seule une certaine forme de mesure pouvait produire des nombres négatifs. Mais une fois cette symétrie rompue, un second type de mesure a également commencé à montrer de la négativité, et ce, beaucoup plus rapidement. Cela indique que les règles spécifiques régissant les interactions du système agissent comme un bouclier, protégeant certaines caractéristiques quantiques de leur apparition. Une fois ce bouclier retiré, le système devient quantique de plus de manières et plus rapidement.

Ces résultats fournissent un moyen pratique de mesurer la « vitesse » du comportement quantique dans les systèmes complexes. Les chercheurs ont comparé leurs conclusions avec une limite théorique connue sous le nom de limite de vitesse quantique, qui prédit le taux le plus rapide auquel un système quantique peut changer. Ils ont trouvé que, bien que cette limite théorique fixe une frontière dure, le temps réel nécessaire pour que la négativité apparaisse est souvent beaucoup plus long et dépend fortement des détails spécifiques de la configuration du système. Cela signifie que connaître simplement la vitesse maximale théorique ne suffit pas ; il faut comprendre la dynamique spécifique des interactions pour prédire quand les effets quantiques émergeront réellement.

Les implications de ce travail s'étendent au-delà de la théorie. La méthode utilisée pour détecter cette négativité repose sur une séquence de mesures qui sont actuellement possibles dans des dispositifs quantiques réels, tels que ceux construits avec des ions piégés ou des circuits supraconducteurs. Cela signifie que la « première négativité » n'est pas seulement un nombre sur un écran d'ordinateur, mais une quantité mesurable que les expérimentateurs peuvent rechercher. En ajustant la force des champs magnétiques, en modifiant la température ou en changeant la distance entre les capteurs, les chercheurs peuvent désormais contrôler exactement quand un système révèle sa nature quantique. Cela offre un nouvel outil aux ingénieurs qui construisent des ordinateurs quantiques, leur permettant soit de retarder l'apparition du bruit quantique indésirable, soit d'accélérer l'émergence de corrélations quantiques utiles. L'étude confirme que la transition du monde classique au monde quantique n'est pas un interrupteur instantané, mais un processus dynamique avec une chronologie mesurable, régi par l'interaction des forces, de la température et de la géométrie.