Dans une expérience récente à l'EPFL, un résonateur micro-onde, un circuit supportant des signaux électriques oscillant à une fréquence de résonance, est couplé aux vibrations d'un micro-tambour métallique. En refroidissant activement le mouvement mécanique proche de l'énergie la plus basse permise par la mécanique quantique, le micro-tambour peut être transformé en un réservoir quantique - un environnement qui peut façonner les états des micro-ondes. Les résultats sont publiés en tant que publication avancée dans Physique de la nature .

László Daniel Tóth, Nathan Bernier, et le Dr Alexey Feofanov a dirigé l'effort de recherche au Laboratoire de photonique et de mesures quantiques de Tobias Kippenberg à l'EPFL, avec le soutien du Dr Andreas Nunnenkamp, un théoricien de l'Université de Cambridge, ROYAUME-UNI.

Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques, tout comme la lumière visible, mais avec une fréquence inférieure de quatre ordres de grandeur. Les micro-ondes constituent l'épine dorsale de plusieurs technologies du quotidien, des fours à micro-ondes et des téléphones portables aux communications par satellite, et ont récemment gagné en importance dans la manipulation de l'information quantique dans les circuits supraconducteurs, l'un des candidats les plus prometteurs pour réaliser les futurs ordinateurs quantiques.

Le micro-tambour, seulement 30 microns de diamètre, 100 nanomètres d'épaisseur et fabriqué au Centre de MicroNanotechnologie (CMi) de l'EPFL, constitue la plaque supérieure d'un condensateur dans un résonateur supraconducteur à micro-ondes. La position du tambour module la fréquence de résonance du résonateur et, inversement, une tension aux bornes du condensateur exerce une force sur le micro-tambour. Grâce à cette interaction bidirectionnelle, l'énergie peut être échangée entre les vibrations mécaniques et les oscillations micro-ondes dans le circuit supraconducteur.

Dans l'expérience, le micro-tambour est d'abord refroidi à proximité de son niveau quantique d'énergie le plus bas par une tonalité de micro-ondes convenablement réglée. Chaque photon micro-onde (un quantum de lumière) emporte l'énergie d'un phonon (un quantum de mouvement mécanique) de sorte que l'énergie mécanique est réduite. Ce processus de refroidissement augmente la dissipation et transforme le micro-tambour en un réservoir dissipatif pour le résonateur micro-ondes.

En réglant les interactions entre la cavité et le micro-tambour refroidi, qui est maintenant un environnement pour les micro-ondes, la cavité peut être transformée en amplificateur hyperfréquence. L'aspect le plus intéressant de ce processus d'amplification est le bruit ajouté, C'est, combien aléatoire, des fluctuations indésirables sont ajoutées au signal amplifié.

Bien que contre-intuitif, la mécanique quantique dicte que ce bruit ajouté ne peut pas être complètement supprimé, même en principe. L'amplificateur réalisé dans l'expérience EPFL fonctionne très près de cette limite, c'est donc aussi "silencieux" que possible. De façon intéressante, dans un régime différent, le micro-tambour transforme le résonateur hyperfréquence en maser (ou laser hyperfréquence).

"De nombreuses recherches ont été consacrées à l'introduction d'oscillateurs mécaniques dans le régime quantique au cours des dernières années." dit le Dr Alexey Feofanov, chercheur postdoctoral sur le projet. "Toutefois, notre expérience est l'une des premières qui montre et exploite réellement leurs capacités pour les futures technologies quantiques."

Regarder vers l'avant, cette expérience permet de nouveaux phénomènes dans les systèmes optomécaniques à cavité comme le routage sans bruit des micro-ondes ou l'intrication des micro-ondes. Généralement, cela prouve que les oscillateurs mécaniques peuvent être une ressource utile dans le domaine en croissance rapide de la science et de l'ingénierie quantiques.

Les activités futures sur les possibilités de recherche émergentes créées par ce travail seront soutenues par deux projets EC Horizon 2020 récemment lancés :les technologies optomécaniques hybrides (HOT) et les technologies optomécaniques (OMT), tous deux coordonnés à l'EPFL.