Une image radiographique des ondes sonores. Crédit :Kevin Satzinger et Samuel Whiteley
Des chercheurs de l'Université de Chicago et du Laboratoire national d'Argonne ont inventé un moyen innovant permettant à différents types de technologie quantique de « parler » entre eux en utilisant le son. L'étude, publié le 11 février dans Physique de la nature , est une étape importante pour rapprocher la technologie quantique de la réalité.
Les chercheurs lorgnent les systèmes quantiques, qui exploitent le comportement bizarre des plus petites particules comme la clé d'une génération fondamentalement nouvelle d'électronique à l'échelle atomique pour le calcul et la communication. Mais un défi persistant a été le transfert d'informations entre différents types de technologies, comme les mémoires quantiques et les processeurs quantiques.
"Nous avons abordé cette question en posant la question suivante :pouvons-nous manipuler et connecter des états quantiques de la matière avec des ondes sonores ?" a déclaré David Awschalom, auteur principal de l'étude, le professeur de la famille Liew à l'Institut de génie moléculaire et scientifique principal au Laboratoire national d'Argonne.
Une façon d'exécuter une opération d'informatique quantique est d'utiliser des « spins », une propriété d'un électron qui peut être en hausse, vers le bas ou les deux. Les scientifiques peuvent les utiliser comme des zéros et des uns dans le langage de programmation informatique binaire d'aujourd'hui. Mais obtenir ces informations ailleurs nécessite un traducteur, et les scientifiques pensaient que les ondes sonores pourraient aider.
"Le but est de coupler les ondes sonores avec les spins des électrons dans le matériau, " a déclaré l'étudiant diplômé Samuel Whiteley, le co-premier auteur de l'article. "Mais le premier défi est d'amener les spins à prêter attention." Ils ont donc construit un système avec des électrodes incurvées pour concentrer les ondes sonores, comme utiliser une loupe pour focaliser un point lumineux.
Le nanoscientifique d'Argonne, Martin Holt, a pris des images aux rayons X des ondes acoustiques avec la nanosonde à rayons X dur du Center for Nanoscale Materials and Advanced Photon Source, tous deux à Argonne. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Les résultats étaient prometteurs, mais ils avaient besoin de plus de données. Pour mieux voir ce qui se passait, ils ont travaillé avec des scientifiques du Centre des matériaux à l'échelle nanométrique d'Argonne pour observer le système en temps réel. Essentiellement, ils ont utilisé extrêmement lumineux, les puissants rayons X du synchrotron géant du laboratoire, la source de photons avancée, comme un microscope pour observer les atomes à l'intérieur du matériau alors que les ondes sonores le traversaient à près de 7, 000 kilomètres par seconde.
"Cette nouvelle méthode nous permet d'observer la dynamique et la structure atomique dans les matériaux quantiques à des échelles de longueur extrêmement petites, " a déclaré Awschalom. "C'est l'un des rares endroits dans le monde avec l'instrumentation pour regarder directement les atomes se déplacer dans un réseau lorsque les ondes sonores les traversent."
L'un des nombreux résultats surprenants, les chercheurs ont dit, était que les effets quantiques des ondes sonores étaient plus compliqués qu'ils ne l'avaient imaginé au départ. Pour construire une théorie complète derrière ce qu'ils observaient au niveau subatomique, ils se sont tournés vers le professeur Giulia Galli, le professeur de la famille Liew à l'IME et un chercheur principal à Argonne. La modélisation du système implique de rassembler les interactions de chaque particule du système, qui croît de façon exponentielle, Awschalom a dit, "mais le professeur Galli est un expert mondial dans la prise de ce genre de problème difficile et l'interprétation de la physique sous-jacente, ce qui nous a permis d'améliorer encore le système."
Il est normalement difficile d'envoyer des informations quantiques pour plus de quelques microns, dit Whiteley, c'est la largeur d'un seul brin de soie d'araignée. Cette technique pourrait étendre le contrôle sur l'ensemble d'une puce ou d'une plaquette.
Une puce acoustique est utilisée pour générer et contrôler les ondes sonores. Crédit : Kevin Satzinger
"Les résultats nous ont donné de nouvelles façons de contrôler nos systèmes, et ouvre des lieux de recherche et d'applications technologiques telles que la détection quantique, " a déclaré le chercheur postdoctoral Gary Wolfowicz, l'autre co-premier auteur de l'étude.
La découverte est une autre du programme de pointe de l'Université de Chicago en science et ingénierie de l'information quantique; Awschalom dirige actuellement un projet visant à construire un réseau de "téléportation" quantique entre Argonne et le Fermi National Accelerator Laboratory pour tester les principes d'un système de communication potentiellement impossible à pirater.
