À ce jour, la recherche en optique quantique a principalement étudié la relation entre la lumière et la matière en utilisant de petits atomes interagissant avec des champs électromagnétiques qui ont des longueurs d'onde sensiblement plus grandes. Dans une nouvelle étude non conventionnelle, une équipe de l'Université de technologie Chalmers en Suède et de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière a entrepris d'explorer l'interaction entre un atome de grande taille et des champs acoustiques avec des longueurs d'onde de plusieurs ordres de grandeur inférieures aux dimensions atomiques.

Dans une étude précédente, certains des chercheurs du même groupe ont montré que des atomes artificiels basés sur des qubits supraconducteurs peuvent être couplés piézoélectriquement à des ondes acoustiques de surface. En comparant l'interaction son-matière qu'ils ont observée avec l'interaction lumière-matière plus conventionnelle, ils ont constaté que les deux sont en fait très similaires.

Inspiré par ces observations, ils ont entrepris de sonder la physique de l'interaction lumière-matière dans les systèmes acoustiques. Cependant, ils ont constaté que cela ne pouvait être fait que dans le cadre de régimes de paramètres qui sont difficiles, sinon impossible, à réaliser sans utiliser le son.

"Nous avons réalisé que la vitesse de propagation lente du son nous permettrait de concevoir des atomes artificiels avec des délais internes, ou atomes "géants" comme nous aimons les appeler, " Gustave Andersson, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Notre objectif était de découvrir en quoi ce régime était différent du cas plus standard des petits atomes, à quoi ressembleraient l'absorption et l'émission de phonons d'un atome géant."

Pour atteindre le "régime de l'atome géant" sur lequel ils voulaient enquêter, les chercheurs ont tiré parti d'une caractéristique clé des ondes sonores, en particulier, leur vitesse de propagation lente. En réalité, la vitesse de propagation des ondes sonores est d'environ 3000 m/s, ce qui est cinq ordres de grandeur plus lent que la lumière.

Andersson et ses collègues ont fait interagir l'atome artificiel avec le son en deux points distincts. Pour que leur expérience fonctionne, cependant, la distance entre ces deux points devait être suffisamment grande pour garantir que le temps pendant lequel les ondes se propageaient à travers eux était plus long que l'échelle de temps d'absorption et d'émission de photons.

L'approche adoptée par les chercheurs pourrait être comparée au contrôle du rayonnement d'un atome en le fixant à une antenne. Comme la vitesse des ondes sonores est faible, il faut plus de temps pour que leur champ se propage à travers l'atome géant, donnant lieu à ce que l'on appelle la dynamique non-markovienne.

"Nous avons fait interagir l'atome artificiel avec le son grâce à des transducteurs interdigités (IDT), une structure de doigt périodique dont la période correspond à la longueur d'onde des ondes acoustiques de surface, " a expliqué Andersson. " Nous avons créé cette séparation en utilisant efficacement deux IDT qui sont connectés électriquement. Nous avons ensuite utilisé des mesures micro-ondes à basse température, techniques standards pour les circuits supraconducteurs, pour étudier les propriétés de l'atome géant."

L'expérience menée par Andersson et ses collègues a donné plusieurs observations intéressantes liées à l'interaction entre le son et la matière. Par exemple, les chercheurs ont pu démontrer la décroissance non exponentielle et les nouvelles propriétés de diffusion des atomes géants. Ces caractéristiques nouvellement découvertes sont causées par l'effet de retard (c'est-à-dire un processus non markovien) au niveau d'un seul atome.

"Le cadre traditionnel de l'optique quantique est basé sur des atomes ponctuels et néglige le temps qu'il faut à la lumière pour traverser un seul atome, " Lingzhen Guo, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Afin d'expliquer les observations recueillies dans nos expériences, cependant, nous devons considérer à la fois l'effet de taille et le retard de l'atome. Par conséquent, l'étude des atomes géants représente un nouveau paradigme en optique quantique."

Les travaux récents d'Andersson, Guo et le reste de leur équipe démontrent la nature non markovienne d'un atome géant dans le spectre de fréquences, tout en dévoilant sa décroissance non exponentielle au fil du temps. À l'avenir, ils souhaiteraient mener des études complémentaires susceptibles d'accroître la pertinence des systèmes acoustiques dans le traitement de l'information quantique en exploitant leurs avantages par rapport aux circuits purement électriques.

"En raison de la courte longueur d'onde du son, les résonateurs à ondes acoustiques de surface peuvent être conçus pour prendre en charge beaucoup plus de modes de résonance que leurs homologues électromagnétiques, " a déclaré Andersson. " En couplant ces modes avec des circuits supraconducteurs, nous espérons créer des états quantiques complexes de manière matérielle minimale. Il serait passionnant de voir si de tels systèmes pourraient être utilisés pour simuler des systèmes quantiques à l'état solide ou certains schémas pour réaliser l'informatique quantique. »

© 2019 Réseau Science X