En utilisant de nouvelles techniques, les chercheurs de Yale ont démontré la capacité d'utiliser des lasers pour refroidir les vibrations quantifiées de son dans les objets massifs à leur état fondamental quantique, l'énergie la plus faible autorisée par mécanique quantique. Cette percée pourrait profiter aux communications, à l'informatique quantique et à d'autres applications. Les résultats sont publiés dans Physique de la nature.
En utilisant un résonateur micro-échelle façonné à partir de quartz cristallin, une équipe de recherche dirigée par le professeur Peter Rakich a démontré qu'ils pouvaient contrôler les vibrations dans ces objets mécaniques macroscopiques au niveau quantique en utilisant la lumière. Rakich note que, dans le domaine quantique, « massif » est un terme relatif.
Dans ce cas, 10 microgrammes de matériau dans le mouvement de l'onde acoustique, ou un objet un peu plus petit qu'un grain de sable. À l'échelle atomique, cependant, cela correspond à un nombre énorme d'atomes (100 quadrillions) se déplaçant de manière cohérente quantique.
Il s'agit d'une grande avance, car les méthodes antérieures qui utilisaient la lumière pour contrôler le mouvement au niveau quantique ont été limitées aux objets qui sont environ un million de fois plus petits. La plus grande échelle de ce système est importante car cette taille accrue se traduit par des temps de cohérence plus longs – c'est-à-dire la durée du temps que les informations quantiques peuvent maintenir ses propriétés quantiques avant la décomposition.
L'augmentation des temps de cohérence est un défi essentiel pour les scientifiques quantiques et l'un des obstacles à la fabrication d'ordinateurs quantiques pratiques. Dans ce cas, une taille accrue se traduit par une cohérence plus longue car une proportion plus petite des atomes réside à la surface, où les choses peuvent devenir délicates (même selon les normes très délicates de Quantum).
« Il est notoirement difficile de contrôler diverses interactions qui se produisent sur les surfaces », explique Rakich, le professeur de physique appliquée de Donna Dubinsky. C'est pourquoi l'approche du laboratoire de Rakich fonctionne si bien – en utilisant la lumière pour accéder aux ondes sonores dans la majeure partie d'un cristal, ils réduisent considérablement les interactions de surface, protégeant efficacement ce système contre la décohérence quantique indésirable.
Hagai Diamandi, un ancien associé postdoctoral au laboratoire de Rakich et auteur principal de l'article, a noté que le système fournit d'excellentes propriétés de matériaux sans bon nombre des inconvénients des méthodes conventionnelles.
« La structure du résonateur micro-échelle est très robuste contre le chauffage indésirable, ce qui facilite l'utilisation de ce système comme mémoire quantique », explique Diamandi, maintenant professeur adjoint à l'Université hébraïque.
D'autres laboratoires ont créé des résonateurs cristallins qui prennent en charge les phonons acoustiques en vrac auparavant, mais ils ont été conçus pour interagir avec les signaux électriques, donnant généralement accès à des phonons beaucoup plus basse fréquence.
« Nous avons développé un type très différent de résonateur acoustique en vrac qui permet d'accéder à des phonons à très haute fréquence en utilisant la lumière », explique Rakich.
Ils ont pu améliorer l'interaction entre la lumière et les phonons massifs dans le résonateur à l'aide d'un appareil connu sous le nom de résonateur optique Fabry-Perot, qui utilise des miroirs à haute réflectivité pour améliorer le champ lumineux du résonateur cristallin.
Avec ce système, ils ont pu utiliser des lasers pour refroidir les vibrations (ou phonons) quantifiés dans ces objets à leur état d'énergie le plus bas. Ce faisant, ils ont pu stabiliser les phonons et améliorer leurs propriétés quantiques.
« Le fait d'avoir un système qui peut contrôler avec précision les phonons tout en conservant leurs propriétés uniques ouvre des possibilités passionnantes pour faire progresser le domaine de la recherche quantique », explique Diamandi.
