Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont fait des pas de géant dans leur capacité à construire et à contrôler des systèmes basés sur les règles bizarres de la mécanique quantique, qui décrivent le comportement des particules à l'échelle subatomique.

Mais un défi consiste à faire en sorte que les systèmes quantiques délicats fonctionnent bien avec les systèmes mécaniques - tout ce qui comporte des pièces mobiles - qui sous-tendent une grande partie de la technologie existante.

Dans un premier, des scientifiques de l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago et du Laboratoire national d'Argonne ont construit un système mécanique - une minuscule "chambre d'écho" pour les ondes sonores - qui peut être contrôlé au niveau quantique, en le connectant à des circuits quantiques. Publié le 21 novembre dans La nature , la percée pourrait étendre la portée de la technologie quantique à de nouveaux capteurs quantiques, communication et mémoire.

"Faire parler ces deux technologies est une première étape clé pour toutes sortes d'applications quantiques, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Andrew Cleland, le professeur John A. MacLean Sr. pour l'innovation et l'entreprise en génie moléculaire et un scientifique principal au Laboratoire national d'Argonne. « Avec cette approche, nous avons atteint un contrôle quantique sur un système mécanique à un niveau bien au-delà de ce qui a été fait auparavant."

En particulier, Cleland a dit, l'intégration de systèmes quantiques et mécaniques a suscité beaucoup d'intérêt afin de créer des capteurs quantiques incroyablement précis capables de détecter la plus petite des vibrations ou d'interagir avec des atomes individuels.

« De nombreuses techniques de détection de choses reposent sur la détection de la force et des déplacements, c'est-à-dire du mouvement, " at-il dit. " Ces capteurs jouent un rôle fondamental dans tout type d'application où vous essayez de mesurer quelque chose. Et les systèmes mécaniques sont les plus faciles à construire et les plus sensibles, il y a donc longtemps eu un intérêt à les amener à la limite quantique." (Capteurs mécaniques, par exemple, sont au cœur des systèmes qui détectent les ondes de gravité - les ondulations dans le tissu de l'espace-temps qui nous ont permis de « voir » les trous noirs entrer en collision à travers l'univers.)

Les recherches de Cleland portent en partie sur les circuits électriques quantiques, et il voulait connecter l'un de ces circuits à un appareil qui génère des ondes acoustiques de surface - de minuscules ondes sonores qui courent le long de la surface d'un bloc de matériau solide, comme des ondulations se déplaçant à la surface d'un étang. Ce phénomène joue un rôle clé dans les appareils du quotidien comme les téléphones portables, ouvre-portes de garage et récepteurs radio.

Une percée clé a été de construire les deux systèmes séparément, sur différents types de matériaux, puis les connecter ensemble. Cela a permis à l'équipe d'optimiser chaque composant tout en continuant à communiquer entre eux. Les deux doivent être conservés très, très froid, à peine dix millièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

Les scientifiques sont enthousiastes car cela leur donne une plate-forme pour expérimenter le son au niveau quantique.

"Ce résultat particulier ouvre la porte pour pouvoir faire beaucoup de choses avec le son que l'on peut déjà faire avec la lumière, " dit Cleland. " Le son bouge 100, 000 fois plus lent que la lumière, ce qui vous donne plus de temps pour faire les choses. Par exemple, si vous stockez des informations quantiques dans une mémoire, il peut durer beaucoup plus longtemps stocké dans le son que dans la lumière."

Il y a un certain nombre de questions fondamentales sans réponse sur le comportement des ondes sonores dans le domaine quantique, il a dit, et ce système pourrait donner aux scientifiques une plate-forme pour les aborder.

La technique pourrait également ouvrir la voie à un « traducteur » quantique qui permettrait la communication quantique sur n'importe quelle distance. Les atomes électroniques avec lesquels travaille le groupe de Cleland ne peuvent fonctionner et communiquer qu'à très basse température; l'acoustique quantique pourrait permettre à ces circuits de convertir des informations quantiques en signaux optiques qui pourraient ensuite être communiqués sur de grandes distances à température ambiante. Il est possible qu'une configuration à ondes acoustiques puisse constituer la base d'un tel système, connu sous le nom de répéteur quantique, dit Cleland.

Le premier auteur était Kevin Satzinger, Ph.D.'18, maintenant avec Google. Les coauteurs de l'article comprenaient Assoc. Prof. David Schuster et Prof. David Awschalom, ainsi que les chercheurs postdoctoraux Audrey Bienfait et Etienne Dumur; étudiants diplômés Youpeng Zhong, Hung Shen Chang, Greg Peirs, Ming-Han Chou, Joël Grebel, Rhys Povey et Sam Whiteley; et les étudiants de premier cycle Ben November et Ivan Gutierrez (tous deux AB'18).

Une étude distincte dans la même édition de La nature , dirigé par Robert Schoelkopf à l'Université de Yale, rapporte également la création d'excitations à phonons uniques. Pris ensemble, les deux études ouvrent une nouvelle voie pour le stockage de l'information quantique, disaient les auteurs.

Les dispositifs ont été fabriqués dans l'installation de nanofabrication Pritzker de l'IME.