Les chercheurs réalisent des expériences qui peuvent ajouter ou soustraire un seul quantum de son, avec des résultats surprenants lorsqu'ils sont appliqués à des champs sonores bruyants.

La mécanique quantique nous dit que les objets physiques peuvent avoir à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires. Par exemple, une seule particule - ou quantum - de lumière est connue sous le nom de photon, et, d'une manière similaire, un seul quantum de son est appelé phonon, qui peut être considérée comme la plus petite unité d'énergie sonore.

Une équipe de chercheurs couvrant l'Imperial College de Londres, Université d'Oxford, l'Institut Niels Bohr, Université de Bath, et l'Université nationale australienne ont réalisé une expérience qui peut ajouter ou soustraire un seul phonon à un champ sonore à haute fréquence en utilisant des interactions avec la lumière laser.

Les découvertes de l'équipe aident au développement de futures technologies quantiques, tels que les composants matériels d'un futur « internet quantique », et aider à ouvrir la voie à des tests de mécanique quantique à une échelle plus macroscopique. Les détails de leurs recherches sont publiés aujourd'hui dans la prestigieuse revue Lettres d'examen physique.

Pour ajouter ou soustraire un seul quantum de son, l'équipe met en œuvre expérimentalement une technique proposée en 2013 qui exploite les corrélations entre photons et phonons créés à l'intérieur d'un résonateur. Plus précisement, la lumière laser est injectée dans un microrésonateur cristallin qui supporte à la fois la lumière et les ondes sonores à haute fréquence.

Les deux types d'ondes se couplent ensuite via une interaction électromagnétique qui crée de la lumière à une nouvelle fréquence. Puis, soustraire un seul phonon, l'équipe détecte un seul photon dont la fréquence a été décalée vers le haut. "Détecter un seul photon nous donne un signal prêt à l'événement que nous avons soustrait un seul phonon, " dit l'auteur principal du projet Georg Enzian.

Lorsque l'expérience est réalisée à une température finie, le champ sonore présente des fluctuations aléatoires dues au bruit thermique. Ainsi, à n'importe quel moment, le nombre exact de quanta sonores présents est inconnu mais en moyenne il y aura initialement n phonons.

Que se passe-t-il maintenant lorsque vous ajoutez ou soustrayez un seul phonon ? A première vue, vous pouvez vous attendre à ce que cela change simplement la moyenne en n + 1 ou n - 1, respectivement, Cependant, le résultat réel défie cette intuition. En effet, assez contre-intuitivement, quand vous soustrayez un seul phonon, le nombre moyen de phonons va en fait jusqu'à 2n.

Ce résultat surprenant où le nombre moyen de quanta double a été observé pour des expériences de soustraction de photons tout optique et est observé pour la première fois en dehors de l'optique ici. "Une façon de penser à l'expérience est d'imaginer une machine à griffes que vous voyez souvent dans les salles de jeux vidéo, sauf que vous ne pouvez pas voir combien de jouets il y a à l'intérieur de la machine. Avant d'accepter de jouer, on vous a dit qu'il y avait en moyenne n jouets à l'intérieur mais que le nombre exact change aléatoirement à chaque fois que vous jouez. Puis, immédiatement après une saisie réussie avec la griffe, le nombre moyen de jouets va en fait jusqu'à 2n, " décrit Michael Vanner, Chercheur principal du Quantum Measurement Lab de l'Imperial College de Londres.

Il est important de noter que ce résultat ne viole certainement pas la conservation de l'énergie et est dû aux statistiques des phonons thermiques.

Les résultats de l'équipe, combiné avec leur expérience récente qui a rapporté un fort couplage entre la lumière et le son dans un microrésonateur, ouvrir une nouvelle voie pour la science et la technologie quantiques avec les ondes sonores.