Université de Strasbourg

Nikolay Prokof’ev & Guido Pupillo

Biographie - Nikolay Prokof'ev

Département de physique, université du Massachusetts, Amherst, États-Unis & Fellow USIAS à l'Institut de science et d'ingénierie supramoléculaires (ISIS), université de Strasbourg & CNRS

Nikolay Prokof'ev, USIAS Fellow 2019

Nikolay Prokof’ev est professeur de physique à l’université du Massachusetts à Amherst (États-Unis). Diplômé de l’Institut d'ingénierie physique de Moscou en 1982, il a obtenu son doctorat à l’Institut Kurchatov (Moscou) en 1987 pour ses recherches sur le mouvement « tunnel » des particules lourdes dans les métaux. Il a poursuivi ses travaux à l’Institut Kurchatov en tant que chercheur, puis chercheur senior jusqu’en 1999.  Il a passé deux années (de 1992 à 1994) à l’université de la Colombie-Britannique à Vancouver (Canada), dans le cadre du programme de bourses internationales du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), afin d’explorer les mécanismes de la décohérence dans les systèmes magnétiques, et y a développé (avec Philip C. E. Stamp) le concept de l’environnement spin-boson. Au cours de cette période, ses intérêts ont évolué vers des systèmes fortement corrélés, y compris ceux de faible dimension. Il a rejoint l’université du Massachusetts à Amherst en 1999.

Actuellement, ses domaines de recherche principaux concernent les propriétés des systèmes de bosons, d'électrons et de spins en interaction, la superfluidité/supraconductivité, les phénomènes critiques ainsi que les méthodes numériques, pour leur description précise fondée sur la théorie quantique des champs.  Nikolay Prokof’ev est le co-inventeur (avec Boris Svistunov et Igor Tupitsyn) de deux techniques largement utilisées, « Worm Algorithm » et « diagrammatic Monte Carlo », qui ont permis de grandes avancées dans le domaine. Il a reçu deux prix Kurchatov (en 1987 et 1998), la bourse Samuel F. Conti ainsi que deux Outstanding Research Awards de l’université du Massachusetts à Amherst (en 2007 et 2009) et a été élu Fellow de l’American Physical Society en 2007. De 2012 à 2017, il a également occupé le poste de Division Associate Editor pour la revue Physical Review Letters.

Biographie - Guido Pupillo

Institut de science et d'ingénierie supramoléculaires (ISIS) - UMR 7006, université de Strasbourg & CNRS

Guido Pupilo, USIAS Fellow 2019

Guido Pupillo est professeur (PRCE) à l’université de Strasbourg et directeur du Laboratoire de physique quantique à l’Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires (ISIS), où il est impliqué dans le développement de programmes d’enseignement et de recherche dans les sciences et technologies quantiques. Il a obtenu son master de physique à l’université de Bologne (Italie) en 2001, puis son doctorat en physique à l’université du Maryland (États-Unis) en 2005. Ses recherches, menées au National Institute of Standards and Technology, se concentraient sur les propriétés des atomes bosoniques froids en interaction forte. Jusqu’à 2011, il a travaillé en tant que chercheur puis chercheur senior à l’université d’Innsbruck et à l’Académie autrichienne des sciences, où ses recherches se concentraient principalement sur les molécules froides en interaction, les atomes de Rydberg et les gaz quantiques dipolaires. Il a rejoint l’université de Strasbourg en 2011.

Actuellement, son domaine de recherche principal concerne les propriétés des systèmes bosoniques et fermioniques avec des interactions à longue portée et les applications de l'électrodynamique quantique de cavité à des problèmes de transport dans des milieux désordonnés. Il a reçu de nombreuses distinctions, dont une ERC-Starting Grant du Conseil européen de la recherche en 2012 et le prix Guy Ourisson en 2013. Depuis 2019, il est membre senior de l'Institut universitaire de France (IUF).

Projet - Monte Carlo diagrammatique pour les théories de champs efficaces et les fermions dipolaires

01/12/2019 - 31/12/2021

Le « problème du signe » est l’un des plus grands problèmes irrésolus de la physique des systèmes à plusieurs particules, commun à des domaines aussi divers que la physique de la matière condensée, la physique nucléaire, la chimie théorique et la science des matériaux, entre autres. Ce problème est lié à la manière dont des particules fermioniques, comme les électrons, changent de place en raison du « principe d’exclusion de Pauli ». Il apparait immanquablement dans les calculs numériques pour les propriétés des systèmes quantiques comprenant un grand nombre de fermions qui interagissent fortement et engendre une augmentation exponentielle de la durée de calcul avec le nombre de particules. Une solution au problème du signe utilisant les méthodes dites de « Monte-Carlo quantique » et permettant d'effectuer des calculs dont la durée suivrait une loi polynomiale avec le nombre de particules serait éminemment souhaitable, dans la mesure où elle ouvrirait potentiellement la voie à des méthodes non biaisées et numériquement exactes pour la simulation des systèmes quantiques corrélés. De telles méthodes seraient en outre d'une aide précieuse, comme par exemple pour calculer la structure électronique des molécules et des matériaux complexes, mais aussi pour identifier les mécanismes à l'origine de la supraconductivité à haute température critique ou encore déterminer les propriétés de la matière nucléaire dense et de la « matière quark ».

De nombreux progrès ont été réalisés récemment dans le développement de la méthode dite de « Monte-Carlo diagrammatique » (DiagMC) pour l’étude de systèmes quantiques fortement corrélés. DiagMC exploite de manière optimale le fait que tout système à plusieurs particules en interaction peut être décrit formellement par une série de diagrammes de Feynman. Ces derniers peuvent en principe être calculés jusqu’à un ordre élevé à l’aide de techniques d’échantillonnage stochastique, améliorant grandement, voire résolvant le problème du signe dans les calculs numériques. La méthode DiagMC diffère fondamentalement des approches standard en ce qu'elle vise directement la limite thermodynamique du système au lieu de simuler des ensembles finis de particules. La complexité du calcul est par conséquent indépendante de la taille du système et, sous certaines conditions, suit une loi polynomiale en fonction de l'inverse de la limite de précision. La méthode DiagMC offre un large éventail d’applications potentielles, avec entre autres la possibilité d’« absorber » les résultats analytiques connus puisque la simulation numérique commence là où les méthodes analytiques existantes s’arrêtent, et que l’efficacité de l’une dépend de celle de l’autre. Le professeur Nikolay Prokof’ev est un pionnier de la méthode DiagMC et dirige actuellement des travaux visant à développer cette méthode ainsi que ses applications à divers problèmes à plusieurs corps. Il s'avère que DiagMC offre désormais un potentiel d’amélioration radicale de notre capacité à effectuer des prédictions fiables dans deux cas importants, à savoir les théories de champs effectives et les systèmes fermioniques avec interactions dipolaires. L'objectif de ce projet collaboratif mené avec le professeur Guido Pupillo est précisément de développer la méthode DiagMC dans ces deux cas.

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