Le coussin central d'une membrane trouée en nitrure de silicium (jaune, à l'intérieur du cadre en silicone rouge) vibre comme un "tambour quantique, ” grâce à l'isolation acoustique extrême fournie par le schéma de trous inventé au laboratoire Schliesser. La mesure par laser des vibrations du tambour permet ensuite de contrôler son état quantique en mouvement, éliminant tout bruit, y compris la perturbation quantique due à la mesure elle-même, comme un casque à réduction de bruit. Les écouteurs en arrière-plan fournissent une référence de taille. Crédit :Institut Niels Bohr
Des chercheurs du Schliesser Lab de l'Institut Niels Bohr, Université de Copenhague, ont démontré une nouvelle façon d'aborder un problème central de la physique quantique :à l'échelle quantique, toute mesure perturbe l'objet mesuré. Cette perturbation limite, par exemple, la précision avec laquelle le mouvement d'un objet peut être suivi. Mais dans une membrane millimétrique qui vibre comme une peau de tambour, les chercheurs ont réussi à surveiller avec précision le mouvement avec un laser et à défaire la perturbation quantique par la mesure. Cela leur permet de contrôler le mouvement de la membrane au niveau quantique. Le résultat a des applications potentielles dans les capteurs de position ultraprécis, vitesse et force, et l'architecture d'un futur ordinateur quantique. Il est désormais publié dans la prestigieuse revue scientifique, La nature .
Au niveau quantique, faire des mesures perturbe l'objet mesuré :utiliser un faisceau laser pour déterminer la position ou la vitesse d'un objet nécessite de le bombarder de nombreux photons. Les photons le frapperont à chaque impact, et l'objet commencera à se déplacer en conséquence. Comme les photons arrivent au hasard, cela se traduit par un mouvement aléatoire supplémentaire en plus des mouvements d'origine, dégradant la capacité de mesurer et de contrôler l'état de mouvement réel. Si l'intensité du laser est baissée, afin de réduire une telle "réaction" de mesure, le rapport signal/bruit dans le détecteur diminue et la mesure redevient imprécise. « Il faut une mesure forte, même si cela entraîne une réaction quantique. Tout ce que nous avons à faire est de mesurer et d'annuler la réaction quantique. Et c'est essentiellement ce que nous avons réussi à faire", Le professeur Albert Schliesser explique.
L'expérience
"Nos expériences nous offrent une opportunité vraiment unique :nos données montrent très clairement des effets quantiques, telles que la rétroaction quantique, dans la mesure du mouvement mécanique. Nous pouvons donc tester dans nos laboratoires si des modifications intelligentes de l'appareil de mesure peuvent améliorer la précision, en utilisant des astuces qui, au cours des dernières décennies, ne pouvaient être que théorisées, " il continue.
Un résonateur à membrane en nitrure de silicium suspendu à un cadre carré en silicium de taille mm. Le motif des trous dans la membrane a une bande interdite phononique qui confine les vibrations à certaines fréquences à l'îlot («défaut») au centre. Crédit :Institut Niels Bohr
Le système expérimental est un ca. Membrane de 3x3 mm en céramique de nitrure de silicium (Fig 1). Il est sous haute tension et vibre lorsqu'il est frappé, tout comme une peau de tambour. Un modèle de trou spécial inventé dans le laboratoire de Schliesser isole extrêmement bien ces vibrations :une fois qu'il vibre, il subit un milliard de cycles d'oscillation avant de perdre une fraction significative de son énergie dans son environnement. (Pour un tambour normal, ce nombre serait d'environ cent.) Un avantage supplémentaire du nitrure de silicium est qu'il n'absorbe aucune partie de la lumière laser utilisée pour interroger son mouvement, de sorte que la membrane ne chauffe pas , ce qui conduirait à nouveau à un mouvement incontrôlé de la membrane.
Contrôle de l'état quantique de mouvement avec suppression active du bruit
En excluant les perturbations externes par un tel isolement extrême, les scientifiques peuvent se concentrer sur les effets quantiques de la mesure. En utilisant un laser très stable, ils peuvent en effet mesurer le mouvement, y compris la mesure en retour, jusqu'au niveau quantique. "Ce qui est remarquable, c'est qu'on peut alors prendre ce record de mesure, le faire passer par de l'électronique, et appliquer une force antagoniste à la membrane, pour annuler les effets aléatoires de la réaction quantique. Il fonctionne essentiellement comme un casque antibruit, juste dans le régime quantique, " explique le doctorant Massimiliano Rossi, l'un des principaux auteurs de l'étude. De cette façon, les scientifiques pourraient préparer de manière déterministe le mouvement de la membrane dans un état quantique pur - un objectif que les physiciens de diverses communautés ont poursuivi au cours des 20 dernières années.
La raison réside dans la polyvalence de ces techniques de contrôle quantique lorsqu'elles sont appliquées au mouvement. Les interféromètres LIGO en sont un exemple. Ils mesurent les ondes gravitationnelles, émis par ex. en fusionnant des trous noirs à des milliards d'années-lumière, en surveillant le mouvement de grands miroirs sur terre. Pour récupérer ces signaux extrêmement faibles, ils doivent pousser la sensibilité à un tel extrême que les limites quantiques des mesures de mouvement entrent en jeu. D'autre part, contrôler l'état quantique des systèmes mécaniques pourrait être utile pour des composants spéciaux d'un ordinateur quantique. Un élément de mémoire, par exemple, bénéficierait de la longue durée de vie des excitations mécaniques. Finalement, les vibrations à contrôle quantique sont également intéressantes d'un point de vue fondamental :comme la vibration implique que la masse se déplace, quel rôle joue la gravité ? Comment influence-t-elle l'état quantique du mouvement ? Les théories acceptées d'aujourd'hui, sans parler des expériences, n'ont pas encore apporté de réponses claires à ces questions.
