Des chercheurs de l'Université du Colorado ont récemment mis au point une nouvelle technique pour mesurer le mouvement mécanique à l'aide de processus d'amplification et de refroidissement électromécaniques simultanés. Leur méthode, présenté dans un article publié dans Lettres d'examen physique , leur a permis d'effectuer une mesure presque silencieuse de la position d'un oscillateur mécanique, ce qui s'est jusqu'à présent avéré difficile en utilisant des techniques alternatives pour mesurer le mouvement.

"Notre recherche est née pour deux raisons, " Robert Delaney, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "D'abord, nous utilisons ces systèmes mécaniques pour convertir efficacement les signaux entre le domaine des micro-ondes et le domaine optique. La conversion des signaux entre ces deux bandes de fréquences disparates est importante pour la mise en réseau des futurs ordinateurs quantiques, ou pour construire l'équivalent de l'internet quantique."

De nombreux groupes de recherche dans le monde essaient actuellement de développer des oscillateurs mécaniques macroscopiques dans des états de mouvement véritablement quantiques, pour les deux applications pratiques, comme la détection de force, et des tests de mécanique quantique à plus grande échelle. Dans ces deux cas, caractériser et mesurer le mouvement des oscillateurs mécaniques aux limites imposées par la mécanique quantique sera d'une importance cruciale.

En plus de permettre la conversion de signaux entre les domaines hyperfréquence et optique, Delaney et ses collègues voulaient trouver un moyen de mesurer ce mouvement au-delà de la limite quantique. Pour y parvenir, ils ont modifié une technique connue sous le nom de contre-action en évitant la mesure. Depuis plusieurs années, la mesure d'évitement de l'action arrière est considérée comme l'une des techniques les plus prometteuses pour la mesure du mouvement en quadrature unique, pourtant, il a jusqu'à présent obtenu des résultats insatisfaisants.

"Par l'interaction de l'oscillateur mécanique avec une cavité micro-onde (ou optique), la mesure d'évitement de contre-action permet en principe une mesure silencieuse de la position de l'oscillateur mécanique, " Robert Delaney, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "En pratique, cela a été difficile à mettre en œuvre car des interactions supplémentaires entre le champ hyperfréquence (ou optique) et l'oscillateur mécanique conduisent à des instabilités de mouvement mécanique, ce qui empêche une mesure continue."

Pour pallier les problèmes liés à ces instabilités du mouvement mécanique, les chercheurs ont modifié le schéma classique d'évitement de l'action arrière, afin d'induire intentionnellement une instabilité dans un oscillateur mécanique. Cela leur a finalement permis de collecter une mesure pulsée du mouvement de l'oscillateur.

"En appliquant deux pompes à micro-ondes au résonateur micro-ondes qui sont désaccordées par la fréquence de résonance de l'oscillateur mécanique, nous pouvons améliorer l'interaction de l'oscillateur mécanique avec le champ micro-ondes, " expliqua Delaney. " Une tonalité de micro-ondes est désaccordée en rouge, ou en dessous de la fréquence de résonance de la cavité hyperfréquence, tandis que l'autre ton est désaccordé en bleu, ou au-dessus de la fréquence de résonance de la cavité."

La pompe désaccordée rouge utilisée par Delaney et ses collègues refroidit l'oscillateur mécanique via le champ micro-ondes d'une manière qui ressemble à la façon dont les techniques de refroidissement laser refroidissent les atomes. La pompe bleue désaccordée, d'autre part, amplifie le mouvement de l'oscillateur mécanique en ajoutant continuellement de l'énergie du champ micro-ondes à l'oscillateur.

La pompe désaccordée bleue est plus grosse que la rouge. Lorsqu'il est combiné d'une manière qui amplifie sur le net, ces deux processus distincts interfèrent et amplifient la position ou l'élan (c'est-à-dire, selon la phase des pompes) de l'oscillateur mécanique, avec presque pas de bruit. Les deux composants en quadrature que les chercheurs ont utilisés pour décrire le mouvement sont simplement des versions sans dimension de la position et de la quantité de mouvement de l'oscillateur mécanique.

"Le principal avantage de cette technique est qu'elle peut mesurer une seule quadrature de mouvement presque sans bruit, et lors de la caractérisation des états de mouvement quantiques fragiles, même une petite quantité de bruit ajouté peut masquer l'état d'intérêt, " a déclaré Delaney. " Pour caractériser pleinement un état de mouvement quantique, vous devez effectuer une tomographie d'état quantique, et la mesure idéale pour ces techniques de reconstruction d'état est une mesure en quadrature unique sans bruit."

Les oscillateurs mécaniques sont utilisés dans plusieurs sous-domaines de la physique, par exemple lors de recherches sur la mécanique quantique à plus grande échelle, détection de force limitée quantique et information quantique. La technique développée par Delaney et ses collègues pourrait donc avoir des implications importantes pour une variété d'études de physique.

"Dans ce travail, nous avons démontré une mesure quasi silencieuse de la position d'un oscillateur mécanique, ce qui a été difficile à réaliser avec des techniques précédemment utilisées comme la mesure d'évitement d'action en retour ou l'amplification paramétrique externe, " a déclaré Delaney. " Nous avons également démontré que l'amplification électromécanique transitoire peut être utilisée pour caractériser soigneusement un état de compression quantique, une condition préalable à l'utilisation de la compression pour améliorer la détection de force."

À l'avenir, la méthode de mesure du mouvement mécanique mise en place par cette équipe de chercheurs pourrait ouvrir de nouveaux horizons pour la recherche en physique et ouvrir la voie au développement de nouveaux outils, y compris la technologie de détection de force et les techniques pour relier les ordinateurs quantiques. En outre, leur méthode pourrait être idéale pour caractériser des oscillateurs mécaniques préparés dans des états quantiques encore plus exotiques, tels que les états de superposition ou les états de chat, un objectif longtemps recherché dans le domaine de la physique.

« Nous nous concentrons maintenant sur l'utilisation de systèmes électromécaniques/optomécaniques pour la conversion micro-ondes en optique, " a déclaré Delaney. " Lorsqu'il est intégré à d'autres composants de l'informatique quantique comme les qubits supraconducteurs, nous pouvons utiliser cette technique pour mesurer le mouvement de l'oscillateur mécanique dans ce système afin de vérifier que nous générons des états quantiques."

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