L'appareil dans sa cavité en cuivre. Crédit :Sletten et al.
Dans une étude récente, des chercheurs de l'Université du Colorado ont résolu les états de phonon de Fock dans le spectre d'un qubit supraconducteur couplé à une cavité acoustique multimode. Les états de Fock (ou états numériques) sont des états quantiques avec un nombre clairement défini de particules. Ces états jouent un rôle crucial dans la deuxième formulation de quantification de la mécanique quantique.
Dans leur papier, Publié dans Examen physique X , les chercheurs décrivent comment ils ont couplé un qubit à des ondes acoustiques de surface et ont réussi à créer une forte dépendance en fréquence dans l'interaction qubit-phonon. L'interférence résultant de ce processus a généré une structure fréquentielle à contraste élevé dans l'interaction qubit-phonon.
"Inspiré par l'utilisation réussie des qubits pour contrôler les états quantiques de la lumière, nous voulions explorer ce que nous pouvons réaliser en couplant des qubits au son, " Lucas Sletten, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Nous nous sommes demandé :est-il possible de résoudre ce son dans un solide est, En réalité, quantifié ? Le son peut-il être utilisé pour stocker et traiter des informations quantiques ? Est-ce que ces quanta de son semblables à des particules, appelés phonons, être compté sans les détruire ? Si c'est le cas, pourriez-vous jouer ce tour avec plus d'un mode à la fois ? Et plus généralement, qu'est-ce qui est possible avec le son qui ne peut pas être fait avec la lumière ?"
Sletten et ses collègues ont utilisé un dispositif composé d'un qubit supraconducteur qui interagit fortement avec des phonons piégés dans une cavité acoustique. L'appareil a été placé à l'intérieur d'un résonateur micro-ondes qui sert de sonde sensible du qubit. Cela a permis aux chercheurs de mesurer et de contrôler le qubit, tout en observant son interaction avec les phonons.
Concept et dispositif de qubit à double fente. Crédit :Sletten et al.
"Les phonons vivent dans un résonateur acoustique qui fonctionne comme un instrument de musique, mais à des fréquences 20 octaves au-dessus de la note la plus haute sur un piano, " dit Sletten. " Tout comme un instrument, il y a différentes notes, ou modes, qui peut vivre dans notre résonateur. L'analogue électrique d'un tel résonateur multimode ferait plusieurs mètres de long et serait un cauchemar à mettre en œuvre sur puce."
Un mode au sein du résonateur correspond à un nombre entier d'ondulations s'insérant exactement dans la boîte, ou cavité, qui confine les ondes sonores. Pour sentir le mouvement des phonons piégés, Sletten et ses collègues ont connecté le qubit au résonateur acoustique à l'aide d'un transducteur qui transforme le mouvement en courant électrique. Quand le son est excité dans leur résonateur, donc, le qubit voit un courant qui modifie son énergie.
"Nous avons conçu un système suffisamment sensible pour que même le son le plus faible autorisé par la mécanique quantique, un phonon unique semblable à une particule, déplace suffisamment l'énergie de notre qubit pour que nous le remarquions, " dit Sletten. " De plus, cette détection ne détruit pas les phonons que nous mesurons. On peut compter des phonons non seulement pour un mode de la cavité mais pour plusieurs, démontrant que nous pouvons tirer pleinement parti de notre cavité multimode."
Les découvertes rassemblées par Sletten et ses collègues montrent que les qubits supraconducteurs peuvent interagir avec les ondes sonores assez fortement pour révéler la nature quantique du son, sans échange direct d'énergie. En atteignant des sensibilités suffisamment élevées pour diviser une onde sonore en parties quantifiées, les chercheurs ont fait un pas de plus vers l'obtention d'un excellent contrôle quantique des systèmes acoustiques.
Crédit :Sletten et al.
"Un autre aperçu de notre travail est que la lenteur du son peut être une ressource précieuse dans l'ingénierie des systèmes quantiques, " a déclaré Sletten. " Le temps qu'il faut à un phonon pour rebondir entre les miroirs est ce qui permet à la cavité de prendre en charge plusieurs modes. En outre, nous tirons parti d'un long délai inséré au milieu de notre transducteur pour contrôler avec précision comment le qubit interagit avec chaque mode, une capacité cruciale à compter les phonons dans une cavité multimode."
À l'avenir, les recherches menées par Sletten et ses collègues pourraient ouvrir la voie au développement de techniques efficaces pour contrôler les états quantiques acoustiques. Pendant ce temps, les chercheurs prévoient de continuer à explorer l'utilisation des phonons en science quantique.
Par exemple, ils aimeraient étudier s'il est possible d'entremêler plusieurs modes de phonons ('notes') différents sur la base de leur interaction partagée avec un qubit. Si confirmé expérimentalement, cela prouverait l'énorme potentiel des phonons pour les applications de traitement de l'information quantique.
« Les systèmes acoustiques sont aussi une interface prometteuse entre différentes plateformes quantiques, tels que les qubits supraconducteurs, points quantiques, et photons optiques, et peuvent également s'avérer des outils puissants pour étudier les types de physique de surface qui peuvent limiter certaines technologies quantiques de pointe, " ajouta Sletten.
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