Dans le domaine de la mécanique quantique, la capacité d’observer et de contrôler les phénomènes quantiques à température ambiante a longtemps été insaisissable, en particulier à grande échelle ou « macroscopique ». Traditionnellement, ces observations se limitent à des environnements proches du zéro absolu, où les effets quantiques sont plus faciles à détecter. Mais l'exigence d'un froid extrême constitue un obstacle majeur, limitant les applications pratiques des technologies quantiques.
Aujourd'hui, une étude menée par Tobias J. Kippenberg et Nils Johan Engelsen de l'EPFL redéfinit les limites du possible. Ce travail pionnier allie physique quantique et génie mécanique pour parvenir à contrôler les phénomènes quantiques à température ambiante.
"Atteindre le régime de l'optomécanique quantique à température ambiante est un défi ouvert depuis des décennies", explique Kippenberg. "Notre travail réalise efficacement le microscope Heisenberg, longtemps considéré comme un modèle de jouet théorique."
Dans leur configuration expérimentale, publiée dans Nature , les chercheurs ont créé un système optomécanique à très faible bruit, une configuration dans laquelle la lumière et le mouvement mécanique s'interconnectent, leur permettant d'étudier et de manipuler la manière dont la lumière influence les objets en mouvement avec une grande précision.
Le principal problème lié à la température ambiante est le bruit thermique, qui perturbe la dynamique quantique délicate. Pour minimiser cela, les scientifiques ont utilisé des miroirs à cavité, qui sont des miroirs spécialisés qui font rebondir la lumière dans un espace confiné (la cavité), la « piégeant » efficacement et améliorant son interaction avec les éléments mécaniques du système. Pour réduire le bruit thermique, les miroirs sont ornés de structures périodiques cristallines (« cristal phononique »).
Un autre composant crucial était un dispositif en forme de tambour de 4 mm appelé oscillateur mécanique, qui interagit avec la lumière à l’intérieur de la cavité. Sa taille et sa conception relativement grandes sont essentielles pour l'isoler du bruit ambiant, permettant ainsi de détecter des phénomènes quantiques subtils à température ambiante.
"Le tambour que nous utilisons dans cette expérience est l'aboutissement de nombreuses années d'efforts pour créer des oscillateurs mécaniques bien isolés de l'environnement", explique Engelsen.
"Les techniques que nous avons utilisées pour traiter les sources de bruit notoires et complexes sont d'une grande pertinence et ont un impact élevé sur la communauté plus large de la détection et de la mesure de précision", déclare Guanhao Huang, l'un des deux doctorants. étudiants menant le projet.
Cette configuration a permis aux chercheurs de réaliser une « compression optique », un phénomène quantique dans lequel certaines propriétés de la lumière, comme son intensité ou sa phase, sont manipulées pour réduire les fluctuations d'une variable au détriment des fluctuations croissantes de l'autre, comme dicté par Heisenberg. principe.
En démontrant la compression optique à température ambiante dans leur système, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient contrôler et observer efficacement les phénomènes quantiques dans un système macroscopique sans avoir besoin de températures extrêmement basses. Haut du formulaire
L'équipe pense que la capacité de faire fonctionner le système à température ambiante élargira l'accès aux systèmes optomécaniques quantiques, qui sont des bancs d'essai établis pour la mesure quantique et la mécanique quantique à des échelles macroscopiques.
"Le système que nous avons développé pourrait faciliter de nouveaux systèmes quantiques hybrides dans lesquels le tambour mécanique interagit fortement avec différents objets, tels que des nuages d'atomes piégés", ajoute Alberto Beccari, l'autre doctorant. étudiant dirigeant l’étude. "Ces systèmes sont utiles pour l'information quantique et nous aident à comprendre comment créer des états quantiques vastes et complexes."
Plus d'informations : Nils Engelsen, Optomécanique quantique à température ambiante utilisant une cavité à très faible bruit, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-023-06997-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06997-3
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
