Des chercheurs de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et d'IBM Research Europe ont récemment démontré le refroidissement laser d'un oscillateur nanomécanique jusqu'à son énergie de point zéro (c'est-à-dire, le point où il contient un minimum d'énergie). Leur démonstration réussie, présenté dans Lettres d'examen physique , pourrait avoir des implications importantes pour le développement des technologies quantiques.

Pendant très longtemps, des chercheurs spécialisés dans différents domaines scientifiques et technologiques ont développé des outils qui exploitent les propriétés acoustiques des objets, telles que les résonances acoustiques ou les vibrations mécaniques. Par exemple, les résonances mécaniques sont utilisées depuis longtemps pour traiter des signaux ou pour collecter des mesures très précises.

A un niveau plus fondamental, ces résonances suivent les lois de la mécanique quantique. Les futures technologies exploitant les propriétés acoustiques des matériaux pourraient ainsi également tirer parti de leurs caractéristiques de mécanique quantique, comme l'intrication entre deux vibrations mécaniques ou la superposition de deux états vibrationnels.

"Cette entrée dans le régime quantique est parallèle à d'autres technologies quantiques, comme les ordinateurs quantiques, " Dr Itay Shomroni, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "La nature quantique de ces objets relativement grands est masquée par des influences externes de l'environnement, dont le plus répandu est le bruit thermique - des fluctuations aléatoires dues à une température finie."

Pour atteindre un régime dans lequel il est possible d'observer des effets de mécanique quantique, les chercheurs doivent d'abord supprimer le bruit dérivé des influences environnementales. Ceci peut être réalisé en refroidissant un oscillateur mécanique à son état d'énergie le plus bas possible, connu sous le nom d'état fondamental.

En raison des lois de la mécanique quantique, un oscillateur ne gèle pas lorsqu'il est dans son état fondamental, mais plutôt, il contient un minimum d'énergie, la soi-disant « énergie du point zéro ». Au cours de la dernière décennie, différents groupes de recherche se sont rapprochés de plus en plus d'amener le mouvement mécanique à l'état fondamental et donc à l'énergie du point zéro, en utilisant une variété d'oscillateurs nano- et micro-mécaniques.

"Une approche consiste simplement à refroidir l'ensemble de l'appareil à des températures extrêmement basses, dans la gamme milli-Kelvin, " Shomroni a dit, "mais cela augmente la complexité des expériences et introduit d'autres contraintes. Nous visons également à atteindre le refroidissement à l'état fondamental dans notre système qui fonctionne à plusieurs Kelvin."

Dans leur étude, Liu Qiu, Shomroni, et leurs collègues ont essayé de refroidir un oscillateur nanomécanique jusqu'à son énergie de point zéro en utilisant des techniques de refroidissement laser. Remarquablement, ils ont pu atteindre un taux d'occupation extrêmement faible (c'est-à-dire, 92% d'occupation de l'état fondamental), poussant le système beaucoup plus profondément dans le régime quantique.

"Nous utilisons la lumière laser pour refroidir le mouvement de notre oscillateur mécanique, ce qui peut paraître surprenant au premier abord, " expliqua Shomroni. " C'est une technique bien connue qui a été utilisée dans d'autres expériences, également. La lumière exerce une force sur la matière appelée pression de rayonnement. Cette force peut être utilisée pour amortir et refroidir le mouvement mécanique, à condition qu'il soit correctement appliqué, s'opposant à la vitesse de l'objet."

Dans l'expérience, la vibration mécanique se produit dans une section d'un nanofaisceau de silicium de plusieurs microns de long et de 220 nm x 530 nm de section transversale. Cette section fait également partie d'une cavité optique dans laquelle les chercheurs ont injecté des faisceaux laser. Les vibrations et la légère pression dans ce système sont interdépendantes, Donc, ils se rapportent d'une manière qui refroidit finalement le système.

"Comme nous le savons, la lumière peut aussi chauffer les objets car elle est absorbée, " a déclaré Shomroni. " Afin de minimiser l'effet de l'absorption, nous avons entouré notre oscillateur d'une petite quantité d'hélium gazeux, afin que l'excès de chaleur puisse se dissiper rapidement."

En utilisant leur méthode basée sur le refroidissement laser, Qiu, Shomroni et leurs collègues ont réussi à refroidir un oscillateur nanomécanique très proche de son énergie de point zéro. Les résultats obtenus démontrent l'efficacité des approches qui tirent parti de l'interaction de la technologie laser avec les vibrations mécaniques pour refroidir les objets mécaniques.

Les chercheurs ont également mesuré l'énergie thermique résiduelle dans leur système in situ à l'aide d'une métrique sans étalonnage offerte par l'oscillateur lui-même, à savoir, le rapport de ses taux d'absorption et d'émission. Cette métrique particulière est également connue pour être une signature de la nature quantique d'un oscillateur.

La capacité de refroidir un système quantique jusqu'à son état fondamental pourrait ouvrir de nouvelles possibilités, à la fois pour le développement de nouvelles technologies quantiques et pour la poursuite des recherches en mécanique quantique. Par exemple, cette capacité pourrait permettre la création d'un objet mécanique relativement grand dans un état de superposition quantique connu sous le nom d'état de chat de Schrödinger.

De plus, le développement d'une méthode qui peut rapprocher les systèmes mécaniques de leur énergie de point zéro pourrait avoir des implications importantes pour l'informatique quantique. Les chercheurs d'IBM essaient actuellement de développer des dispositifs capables de transduire efficacement l'information quantique, le convertir des qubits supraconducteurs en photons optiques.

"De tels dispositifs serviraient à connecter des ordinateurs quantiques basés sur des qubits supraconducteurs avec des câbles à fibres optiques pour créer un réseau quantique et augmenter davantage la puissance de calcul, " Paul Seidler, un autre chercheur qui a mené l'étude, a déclaré à Phys.org « À ce jour, les approches les plus réussies de la transduction optique micro-ondes utilisent un système mécanique comme intermédiaire. Pour cette application, la capacité d'initialiser le système mécanique dans son état fondamental peut être essentielle."

Dans les travaux futurs, l'équipe EPFL-IBM prévoit d'utiliser sa technique de refroidissement des systèmes mécaniques jusqu'à leur énergie de point zéro pour contrôler leur mouvement de nouvelles manières intéressantes. Par exemple, les chercheurs aimeraient explorer le potentiel de leur méthode pour produire une variété d'états quantiques exotiques.

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