Les physiciens de Stanford ont développé un "microphone quantique" si sensible qu'il peut mesurer des particules individuelles de son, appelés phonons.

Le dispositif, qui est détaillé le 24 juillet dans le journal La nature , pourrait éventuellement conduire à plus petit, des ordinateurs quantiques plus efficaces qui fonctionnent en manipulant le son plutôt que la lumière.

"Nous attendons de cet appareil qu'il permette de nouveaux types de capteurs quantiques, transducteurs et dispositifs de stockage pour les futures machines quantiques, " a déclaré le responsable de l'étude Amir Safavi-Naeini, professeur adjoint de physique appliquée à la School of Humanities and Sciences de Stanford.

Quantum de mouvement

D'abord proposé par Albert Einstein en 1907, les phonons sont des paquets d'énergie vibratoire émis par des atomes nerveux. Ces paquets indivisibles, ou quanta, du mouvement se manifestant sous forme de son ou de chaleur, en fonction de leurs fréquences.

Comme les photons, qui sont les porteurs quantiques de la lumière, les phonons sont quantifiés, ce qui signifie que leurs énergies vibratoires sont limitées à des valeurs discrètes, de la même manière qu'un escalier est composé de marches distinctes.

"Le son a cette granularité que nous n'avons pas normalement, " dit Safavi-Naeini. " Son, au niveau quantique, crépite."

L'énergie d'un système mécanique peut être représentée sous la forme de différents états « Fock » : 0, 1, 2, et ainsi de suite, en fonction du nombre de phonons qu'il génère. Par exemple, un "état 1 Fock" consiste en un phonon d'une énergie particulière, un "état 2 Fock" est constitué de deux phonons de même énergie, etc. Des états de phonons plus élevés correspondent à des sons plus forts.

Jusqu'à maintenant, les scientifiques ont été incapables de mesurer les états des phonons dans les structures artificielles directement parce que les différences d'énergie entre les états - dans l'analogie de l'escalier, l'espacement entre les marches est infiniment petit. "Un phonon correspond à une énergie dix mille milliards de fois plus petite que l'énergie nécessaire pour maintenir une ampoule allumée pendant une seconde, " a déclaré l'étudiant diplômé Patricio Arrangoiz-Arriola, un co-premier auteur de l'étude.

Pour résoudre ce problème, l'équipe de Stanford a conçu le microphone le plus sensible au monde, un microphone qui exploite les principes quantiques pour écouter les murmures des atomes.

Dans un microphone ordinaire, les ondes sonores entrantes secouent une membrane interne, et ce déplacement physique est converti en une tension mesurable. Cette approche ne fonctionne pas pour détecter des phonons individuels car, selon le principe d'incertitude de Heisenberg, la position d'un objet quantique ne peut pas être connue avec précision sans la changer.

"Si vous essayez de mesurer le nombre de phonons avec un microphone ordinaire, l'acte de mesurer injecte de l'énergie dans le système qui masque l'énergie même que vous essayez de mesurer, ", a déclaré Safavi-Naeini.

Au lieu, les physiciens ont conçu un moyen de mesurer les états de Fock - et ainsi, le nombre de phonons—dans les ondes sonores directement. "La mécanique quantique nous dit que la position et la quantité de mouvement ne peuvent pas être connues avec précision, mais elle ne dit rien de tel sur l'énergie, " a déclaré Safavi-Naeini. " L'énergie peut être connue avec une précision infinie. "

Qubits de chant

Le microphone quantique développé par le groupe consiste en une série de résonateurs nanomécaniques surfondus, si petits qu'ils ne sont visibles qu'au microscope électronique. Les résonateurs sont couplés à un circuit supraconducteur qui contient des paires d'électrons qui se déplacent sans résistance. Le circuit forme un bit quantique, ou qubit, qui peut exister dans deux états à la fois et a une fréquence naturelle, qui peut être lu électroniquement. Quand les résonateurs mécaniques vibrent comme une peau de tambour, ils génèrent des phonons dans différents états.

"Les résonateurs sont formés de structures périodiques qui agissent comme des miroirs pour le son. En introduisant un défaut dans ces réseaux artificiels, on peut piéger les phonons au milieu des structures, ", a déclaré Arrangoiz-Arriola.

Comme des détenus indisciplinés, les phonons piégés ébranlent les murs de leurs prisons, et ces mouvements mécaniques sont transmis au qubit par des fils ultra-minces. "La sensibilité du qubit au déplacement est particulièrement forte lorsque les fréquences du qubit et des résonateurs sont à peu près les mêmes, " a déclaré le premier auteur conjoint Alex Wollack, également un étudiant diplômé à Stanford.

Cependant, en désaccordant le système pour que le qubit et les résonateurs vibrent à des fréquences très différentes, les chercheurs ont affaibli cette connexion mécanique et déclenché un type d'interaction quantique, connue sous le nom d'interaction dispersive, qui relie directement le qubit aux phonons.

Cette liaison provoque un décalage de la fréquence du qubit proportionnellement au nombre de phonons dans les résonateurs. En mesurant les changements du qubit au diapason, les chercheurs ont pu déterminer les niveaux d'énergie quantifiés des résonateurs vibrants, résolvant efficacement les phonons eux-mêmes.

"Différents niveaux d'énergie des phonons apparaissent sous forme de pics distincts dans le spectre qubit, " a déclaré Safavi-Naeini. " Ces pics correspondent à des états de Fock de 0, 1, 2 et ainsi de suite. Ces multiples pics n'avaient jamais été vus auparavant."

Mécanique mécanique quantique

Maîtriser la capacité de générer et de détecter avec précision des phonons pourrait aider à ouvrir la voie à de nouveaux types de dispositifs quantiques capables de stocker et de récupérer des informations codées sous forme de particules sonores ou pouvant convertir de manière transparente entre les signaux optiques et mécaniques.

De tels dispositifs pourraient être rendus plus compacts et efficaces que les machines quantiques utilisant des photons, car les phonons sont plus faciles à manipuler et ont des longueurs d'onde des milliers de fois plus petites que les particules lumineuses.

"À l'heure actuelle, les gens utilisent des photons pour coder ces états. Nous voulons utiliser des phonons, ce qui apporte de nombreux avantages, ", a déclaré Safavi-Naeini. "Notre appareil est une étape importante vers la fabrication d'un ordinateur 'mécanique quantique'."