Un saut quantique dans la technologie des oscillateurs mécaniques

Un saut quantique dans la technologie des oscillateurs mécaniques

Horodatage: 11 août 2023 12 h 43
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11 août 2023 (Actualités Nanowerk) Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont fait d'énormes progrès dans la génération de phénomènes quantiques dans les systèmes mécaniques. Ce qui semblait impossible il y a seulement quinze ans est maintenant devenu réalité, car les chercheurs ont réussi à créer des états quantiques dans des objets mécaniques macroscopiques. En couplant ces oscillateurs mécaniques à des photons lumineux – appelés « systèmes optomécaniques » -, les scientifiques ont pu les refroidir à leur niveau d'énergie le plus bas proche de la limite quantique, les « presser » pour réduire encore plus leurs vibrations, et les emmêler. avec l'un l'autre. Ces avancées ont ouvert de nouvelles opportunités dans la détection quantique, le stockage compact dans l'informatique quantique, les tests fondamentaux de gravité quantique et même dans la recherche de matière noire. Afin de faire fonctionner efficacement les systèmes optomécaniques dans le régime quantique, les scientifiques sont confrontés à un dilemme. D'une part, les oscillateurs mécaniques doivent être correctement isolés de leur environnement pour minimiser les pertes d'énergie ; d'autre part, ils doivent être bien couplés à d'autres systèmes physiques tels que des résonateurs électromagnétiques pour les contrôler. Pour atteindre cet équilibre, il faut maximiser la durée de vie de l'état quantique des oscillateurs qui est impactée par les fluctuations thermiques de leur environnement et les instabilités de fréquence des oscillateurs - ce que l'on appelle dans le domaine la « décohérence ». Il s'agit d'un défi persistant dans divers systèmes, des gigantesques miroirs utilisés dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles aux minuscules particules piégées dans le vide poussé. Par rapport à d'autres technologies telles que les qubits supraconducteurs ou les pièges à ions, les systèmes opto- et électromécaniques actuels présentent toujours des taux de décohérence plus élevés. Maintenant, les scientifiques du laboratoire de Tobias J. Kippenberg à l'EPFL se sont attaqués au problème en développant une plate-forme optomécanique de circuit supraconducteur qui montre une décohérence quantique ultra-faible tout en maintenant un couplage optomécanique important qui se traduit par un contrôle quantique haute fidélité. L'ouvrage vient d'être publié dans Physique de la nature ("Un oscillateur mécanique comprimé avec une décohérence quantique milliseconde"). Système électromécanique supraconducteur ultra-cohérent Image au microscope électronique à balayage d'un système électromécanique supraconducteur ultra-cohérent. (Image: Amir Youssefi, EPFL) "En termes simples, nous avons démontré la plus longue durée de vie d'état quantique jamais atteinte dans un oscillateur mécanique, qui peut être utilisé comme composant de stockage quantique dans les systèmes d'informatique et de communication quantiques", déclare Amir Youssefi, PhD. étudiant qui a mené le projet. "Il s'agit d'une grande réussite qui touche un large éventail de publics en physique quantique, en génie électrique et en génie mécanique." L'élément clé de la percée est un "condensateur à peau de tambour à vide", un élément vibrant constitué d'un mince film d'aluminium suspendu au-dessus d'une tranchée dans un substrat de silicium. Le condensateur sert de composant vibrant de l'oscillateur et forme également un circuit hyperfréquence résonant. Grâce à une nouvelle technique de nanofabrication, l'équipe a considérablement réduit les pertes mécaniques dans le résonateur de la peau de tambour, atteignant un taux de décohérence thermique sans précédent de seulement 20 Hz, équivalent à une durée de vie de l'état quantique de 7.7 millisecondes - la plus longue jamais atteinte dans un oscillateur mécanique. La diminution remarquable de la décohérence induite thermiquement a permis aux chercheurs d'utiliser une technique de refroidissement optomécanique, résultant en une fidélité impressionnante de 93% de l'occupation de l'état quantique dans l'état fondamental. De plus, l'équipe a obtenu une compression mécanique en dessous de la fluctuation du mouvement au point zéro, avec une valeur de -2.7 dB. "Ce niveau de contrôle nous permet d'observer l'évolution libre des états mécaniques comprimés en préservant son comportement quantique pendant une période prolongée de 2 millisecondes, grâce au taux de déphasage pur exceptionnellement faible de seulement 0.09 Hz dans l'oscillateur mécanique", déclare Shingo Kono, qui ont contribué à la recherche. "Une telle décohérence quantique ultra-faible augmente non seulement la fidélité du contrôle quantique et de la mesure des systèmes mécaniques macroscopiques, mais bénéficiera également de l'interfaçage avec des qubits supraconducteurs et placera le système dans un régime de paramètres adapté aux tests de gravité quantique", déclare Mahdi Chegnizadeh, un autre membre de l'équipe de recherche "Le temps de stockage considérablement plus long par rapport aux qubits supraconducteurs fait de la plate-forme un candidat parfait pour les applications de stockage quantique."

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