Pour la première fois, les chercheurs ont réussi à créer un couplage fort entre des systèmes quantiques sur une grande distance. Ils y sont parvenus avec une nouvelle méthode dans laquelle une boucle laser relie les systèmes, permettant un échange d'informations presque sans perte et une forte interaction entre eux. Dans la revue Science , Des physiciens de l'Université de Bâle et de l'Université de Hanovre ont rapporté que la nouvelle méthode ouvre de nouvelles possibilités dans les réseaux quantiques et la technologie des capteurs quantiques.

La technologie quantique est actuellement l'un des domaines de recherche les plus actifs au monde. Il tire parti des propriétés particulières des états de mécanique quantique des atomes, léger, ou des nanostructures à développer, par exemple, de nouveaux capteurs pour la médecine et la navigation, des réseaux pour le traitement de l'information et des simulateurs puissants pour les sciences des matériaux. La génération de ces états quantiques nécessite normalement une forte interaction entre les systèmes impliqués, comme entre plusieurs atomes ou nanostructures.

Jusqu'à maintenant, cependant, les interactions suffisamment fortes étaient limitées à de courtes distances. Typiquement, deux systèmes devaient être placés à proximité l'un de l'autre sur la même puce à basse température ou dans la même chambre à vide, où ils interagissent via des forces électrostatiques ou magnétostatiques. En les couplant sur de plus grandes distances, cependant, est requis pour de nombreuses applications telles que les réseaux quantiques ou certains types de capteurs.

Une équipe de physiciens, dirigé par le professeur Philipp Treutlein du Département de physique de l'Université de Bâle et du Swiss Nanoscience Institute (SNI), a maintenant réussi pour la première fois à créer un couplage fort entre deux systèmes sur une plus grande distance dans un environnement à température ambiante. Dans leur expérience, les chercheurs ont utilisé la lumière laser pour coupler les vibrations d'une membrane mince de 100 nanomètres au mouvement de la rotation des atomes sur une distance d'un mètre. Par conséquent, chaque vibration de la membrane met en mouvement le spin des atomes et vice versa.

Une boucle de lumière agit comme un ressort mécanique

L'expérience est basée sur un concept que les chercheurs ont développé en collaboration avec le physicien théoricien, le professeur Klemens Hammerer de l'Université de Hanovre. Il s'agit d'envoyer un faisceau de lumière laser dans les deux sens entre les systèmes. "La lumière se comporte alors comme un ressort mécanique tendu entre les atomes et la membrane, et transmet des forces entre les deux, " explique le Dr Thomas Karg, qui a réalisé les expériences dans le cadre de sa thèse de doctorat à l'Université de Bâle. Dans cette boucle laser, les propriétés de la lumière peuvent être contrôlées de telle sorte qu'aucune information sur le mouvement des deux systèmes ne soit perdue dans l'environnement, assurant ainsi que l'interaction mécanique quantique n'est pas perturbée.

Les chercheurs ont maintenant réussi à mettre en œuvre ce concept expérimentalement pour la première fois et l'ont utilisé dans une série d'expériences. "Le couplage des systèmes quantiques avec la lumière est très flexible et polyvalent, " explique Treutlein. " Nous pouvons contrôler le faisceau laser entre les systèmes, ce qui nous permet de générer différents types d'interactions utiles pour les capteurs quantiques, par exemple."

Un nouvel outil pour les technologies quantiques

En plus de coupler des atomes avec des membranes nanomécaniques, la nouvelle méthode pourrait également être utilisée dans plusieurs autres systèmes; par exemple, lors du couplage de bits quantiques supraconducteurs ou de systèmes de spin à l'état solide utilisés dans la recherche en informatique quantique. La nouvelle technique de couplage médié par la lumière pourrait être utilisée pour interconnecter de tels systèmes, créer des réseaux quantiques pour le traitement de l'information et les simulations. Treutlein en est convaincu :« C'est une nouvelle, outil très utile pour notre boîte à outils de technologie quantique."