Comme les chefs d'orchestre d'une symphonie effrayante, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont "enchevêtré" deux petits tambours mécaniques et mesuré avec précision leurs propriétés quantiques liées. Des paires enchevêtrées comme celle-ci pourraient un jour effectuer des calculs et transmettre des données dans des réseaux quantiques à grande échelle.

L'équipe du NIST a utilisé des impulsions micro-ondes pour attirer les deux minuscules fûts en aluminium dans une version quantique du Lindy Hop, avec un partenaire sautillant dans un modèle cool et calme tandis que l'autre secouait un peu plus. Les chercheurs ont analysé des signaux de type radar pour vérifier que les pas des deux tambours formaient un motif enchevêtré, un duo qui serait impossible dans le monde classique de tous les jours.

La nouveauté n'est pas tant la danse elle-même que la capacité des chercheurs à mesurer les battements de tambour, montant et descendant d'un quadrillionième de mètre seulement, et vérifier leur enchevêtrement fragile en détectant des relations statistiques subtiles entre leurs mouvements.

La recherche est décrite dans le numéro du 7 mai de Science .

« Si vous analysez indépendamment les données de position et de quantité de mouvement des deux tambours, ils ont tout simplement l'air chauds, " a déclaré le physicien du NIST John Teufel. " Mais en les regardant ensemble, nous pouvons voir que ce qui ressemble à un mouvement aléatoire d'un tambour est fortement corrélé avec l'autre, d'une manière qui n'est possible que par l'intrication quantique."

La mécanique quantique a été conçue à l'origine comme le livre de règles pour la lumière et la matière à l'échelle atomique. Cependant, ces dernières années, des chercheurs ont montré que les mêmes règles peuvent s'appliquer à des objets de plus en plus gros tels que les tambours. Leur mouvement de va-et-vient en fait un type de système connu sous le nom d'oscillateur mécanique. De tels systèmes ont été enchevêtrés pour la première fois au NIST il y a une dizaine d'années, et dans ce cas les éléments mécaniques étaient des atomes simples.

Depuis, Le groupe de recherche de Teufel a démontré le contrôle quantique de membranes en aluminium en forme de tambour suspendues au-dessus de tapis de saphir. Selon les normes quantiques, les tambours du NIST sont énormes, 20 micromètres de large sur 14 micromètres de long et 100 nanomètres d'épaisseur. Ils pèsent chacun environ 70 picogrammes, ce qui correspond à environ 1 000 milliards d'atomes.

L'enchevêtrement d'objets massifs est difficile car ils interagissent fortement avec l'environnement, qui peut détruire des états quantiques délicats. Le groupe de Teufel a développé de nouvelles méthodes pour contrôler et mesurer le mouvement de deux tambours simultanément. Les chercheurs ont adapté une technique démontrée pour la première fois en 2011 pour refroidir un seul tambour en passant de signaux micro-ondes stables à pulsés pour optimiser séparément les étapes de refroidissement, enchevêtrer et mesurer les états. Pour analyser rigoureusement l'intrication, les expérimentateurs ont également travaillé plus étroitement avec les théoriciens, une alliance de plus en plus importante dans l'effort mondial pour construire des réseaux quantiques.

L'ensemble de batterie NIST est connecté à un circuit électrique et enfermé dans une cavité cryogéniquement réfrigérée. Lorsqu'une impulsion micro-ondes est appliquée, le système électrique interagit avec et contrôle les activités des tambours, qui peut supporter des états quantiques comme l'intrication pendant environ une milliseconde, longtemps dans le monde quantique.

Pour les expériences, les chercheurs ont appliqué deux impulsions micro-ondes simultanées pour refroidir les tambours, deux autres impulsions simultanées pour enchevêtrer les tambours, et deux impulsions finales pour amplifier et enregistrer les signaux représentant les états quantiques des deux tambours. Les états sont codés dans un champ hyperfréquence réfléchi, similaire au radar. Les chercheurs ont comparé les réflexions à l'impulsion micro-ondes d'origine pour déterminer la position et l'élan de chaque tambour.

Pour refroidir les tambours, les chercheurs ont appliqué des impulsions à une fréquence inférieure aux vibrations naturelles de la cavité. Comme dans l'expérience de 2011, les battements de tambour ont converti les photons appliqués à la fréquence plus élevée de la cavité. Ces photons se sont échappés de la cavité au fur et à mesure qu'elle se remplissait. Chaque photon partant emportait avec lui une unité mécanique d'énergie :un phonon, ou un quantum—du mouvement du tambour. Cela a éliminé la plupart des mouvements du tambour liés à la chaleur.

Pour créer un enchevêtrement, les chercheurs ont appliqué des impulsions micro-ondes entre les fréquences des deux tambours, supérieur au tambour 1 et inférieur au tambour 2. Ces impulsions ont intriqué les phonons du tambour 1 avec les photons de la cavité, générer des paires photon-phonon corrélées. Les impulsions ont également refroidi davantage le tambour 2, car les photons quittant la cavité ont été remplacés par des phonons. Ce qui restait était principalement des paires de phonons enchevêtrés partagés entre les deux tambours.

Pour enchevêtrer les paires de phonons, la durée des impulsions était cruciale. Les chercheurs ont découvert que ces impulsions micro-ondes devaient durer plus de 4 microsecondes, idéalement 16,8 microsecondes, pour enchevêtrer fortement les phonons. Pendant cette période, l'enchevêtrement est devenu plus fort et le mouvement de chaque tambour a augmenté parce qu'ils se déplaçaient à l'unisson, une sorte de renfort sympathique, dit Teufel.

Les chercheurs ont recherché des modèles dans les signaux renvoyés, ou données radar. Dans le monde classique, les résultats seraient aléatoires. Le tracé des résultats sur un graphique a révélé des motifs inhabituels suggérant que les tambours étaient enchevêtrés. Pour être sûr, les chercheurs ont mené l'expérience 10, 000 fois et appliqué un test statistique pour calculer les corrélations entre différents ensembles de résultats, comme les positions des deux tambours.

"Grosso modo, nous avons mesuré à quel point deux variables sont corrélées, par exemple, si vous mesuriez la position d'un tambour, dans quelle mesure pouviez-vous prédire la position de l'autre tambour, " dit Teufel. " S'ils n'ont pas de corrélations et qu'ils sont tous les deux parfaitement froids, vous ne pouviez deviner la position moyenne de l'autre tambour que dans une incertitude d'un demi-quantum de mouvement. Quand ils sont enchevêtrés, nous pouvons faire mieux, avec moins d'incertitude. L'enchevêtrement est la seule façon dont cela est possible."

"Pour vérifier que l'enchevêtrement est présent, nous faisons un test statistique appelé 'témoin d'intrication, ''', a déclaré le théoricien du NIST, Scott Glancy. "On observe des corrélations entre les positions et les élans des tambours, et si ces corrélations sont plus fortes que ce qui peut être produit par la physique classique, nous savons que les tambours ont dû être emmêlés. Les signaux radar mesurent la position et la quantité de mouvement simultanément, mais le principe d'incertitude de Heisenberg dit que cela ne peut pas être fait avec une précision parfaite. Par conséquent, nous payons un coût d'aléatoire supplémentaire dans nos mesures. Nous gérons cette incertitude en collectant un grand ensemble de données et en corrigeant l'incertitude lors de notre analyse statistique. »

Très enchevêtré, des systèmes quantiques massifs comme celui-ci pourraient servir de nœuds de longue durée de réseaux quantiques. Les mesures radar à haute efficacité utilisées dans ce travail pourraient être utiles dans des applications telles que la téléportation quantique - le transfert de données sans lien physique - ou l'échange d'enchevêtrement entre les nœuds d'un réseau quantique, parce que ces applications nécessitent que des décisions soient prises en fonction des mesures des résultats de l'enchevêtrement. Les systèmes intriqués pourraient également être utilisés dans des tests fondamentaux de mécanique quantique et de détection de force au-delà des limites quantiques standard.