Des physiciens de l'Universität Regensburg ont couplé les vibrations d'une macromolécule - un nanotube de carbone - à une cavité micro-onde, la création d'un système optomécanique novateur et hautement miniaturisé. L'équipe du Dr Andreas K. Hüttel y est parvenue en utilisant la quantification de la charge électrique, c'est à dire., qu'il est porté par des électrons isolés, comme un puissant mécanisme d'amplification. Leurs conclusions ont été publiées le 2 avril dans Communication Nature . Ils présentent une étape importante vers la combinaison de technologies quantiques complètement différentes, comme, par exemple., qubits de spin électronique et qubits supraconducteurs, dans un seul appareil.

Normalement, coupler le mouvement d'une macromolécule telle qu'un nanotube de carbone aux micro-ondes est difficile. Pourquoi? Parce que les longueurs d'onde électromagnétiques utilisées dans l'informatique quantique ou les dispositifs d'électrodynamique quantique à cavité, travaillant aux fréquences GHz, sont de l'ordre du millimètre. Un dispositif à nanotubes typique, utile à la fois pour piéger des électrons dans des états quantiques connus et comme résonateur vibrationnel, mesure moins d'un micromètre de long, avec des amplitudes de vibration inférieures au nanomètre. En raison de cette inadéquation des tailles, le mouvement du nanotube ne modifie tout simplement pas beaucoup le champ électromagnétique d'une cavité micro-onde. Le couplage prédit par la théorie optomécanique standard est minime.

Toujours, réaliser un tel couplage et le contrôler, sans entraîner le nanotube à de grandes amplitudes de vibration, est pour de nombreuses raisons une idée attrayante. Un nanotube est un excellent résonateur à cordes, stocker de l'énergie pendant une longue période; sa vibration pourrait être utilisée pour traduire l'information quantique entre des degrés de liberté fondamentalement différents. Et les électrons piégés simples et les circuits micro-ondes supraconducteurs sont des candidats de choix pour les architectures de calcul quantique.

L'expérience de Ratisbonne, publié sous forme d'article en libre accès, a montré que l'interaction entre les deux systèmes, vibrations et champs électromagnétiques, peut être amplifié d'un facteur 10, 000 par rapport à des prédictions géométriques simples. Ceci est réalisé en utilisant ce qu'on appelle la capacité quantique :le courant est transporté par des électrons discrets, ce qui signifie que la charge d'un très petit condensateur, comme un nanotube, ne se produit pas en continu mais plutôt par étapes. En choisissant un point de travail sur la courbe en escalier, le couplage optomécanique est commandable, et peut être allumé et éteint rapidement.

« Nous mettons en œuvre un système optomécanique dit à couplage dispersif, nouveau et passionnant d'une part en raison de la miniaturisation de la partie mécanique et des effets d'électron unique, mais bien connu par contre, puisqu'il existe un vaste corpus de recherches théoriques et expérimentales sur des systèmes optomécaniques plus grands (jusqu'à des échelles macroscopiques), " dit le Dr Hüttel, actuellement en séjour de recherche à l'Université Aalto, Finlande. "L'interaction optomécanique peut être utilisée pour le refroidissement de la vibration, pour le détecter de manière très sensible, pour l'amplification des signaux, ou même pour la préparation arbitraire d'états quantiques. Nos résultats indiquent que le contrôle quantique de la vibration des nanotubes en forme de corde sera accessible dans un proche avenir. Et cela le rend très attrayant comme une sorte de standard quantique, combinant des phénomènes quantiques très différents."