Les chercheurs ont créé un appareil basé sur une puce qui peut diviser les phonons – des paquets de vibration mécanique qui peuvent transporter des informations dans les systèmes quantiques. En comblant un écart clé, cet appareil pourrait aider à connecter divers appareils quantiques via des phonons, ouvrant la voie à l'informatique avancée et à la communication quantique sécurisée.
« Les phonons peuvent servir de messages quantiques sur puce qui connectent des systèmes quantiques très différents, permettant des réseaux hybrides et de nouvelles façons de traiter les informations quantiques dans un format compact et évolutif », a déclaré le chef de l'équipe de recherche Simon Gröblacher de l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas.
« Pour construire des circuits phononiques pratiques, il faut un ensemble complet de composants basés sur des puces qui peuvent générer, guider, diviser et détecter des quantités individuelles de vibrations. Bien que les sources et les guides d'ondes existent déjà, un séparateur compact manquait toujours. »
Dans Optica quantumles chercheurs décrivent leur coupleur directionnel compact à quatre ports intégré pour les phonons uniques et montrent qu'il peut accomplir des performances de division et de niveau quantique contrôlables.
« Notre appareil pourrait permettre des routeurs et séparateurs microscopiques sur puce qui relient les qubits supraconducteurs, qui sont souvent utilisés pour des calculs quantiques rapides, avec des systèmes basés sur le spin, qui sont bons pour stocker des informations quantiques pour des périodes plus longues. Il pourrait également permettre une variété d'expériences quantiques ou de capteurs mécaniques ultra-sensibles extrêmement compacts », a déclaré Gröblacher.
Connexion des systèmes quantiques
Bien que la technologie quantique soit très prometteuse pour permettre un calcul plus rapide, une communication plus sécurisée et de nouveaux types de détection, différents systèmes quantiques n'interagissent souvent pas bien entre eux.
Pour y remédier, les ingénieurs ont développé des plates-formes basées sur un type de phonon connu sous le nom d'onde acoustique de surface. Cependant, la distance de propagation limitée due à une perte élevée et à une structure 2D ouverte intrinsèquement ouverte des solutions existantes rend ces appareils relativement importants, posant une barrière à leur utilisation pratique.
Dans le nouveau travail, les chercheurs ont conçu un coupleur directionnel à base de puces qui utilise des phonons hautement confinés et à haute fréquence (GHZ) voyageant dans des guides d'ondes de cristal phononique. Ces phonons permettent des dispositifs sur puce plus petits et plus évolutifs en raison de leur capacité à réduire la diaphonie entre les canaux de communication. Ils prennent également en charge les durées de vie des phonons plus longues, permettant des interférences et un routage complexes avant que les propriétés quantiques ne se dégradent.
Chaque appareil est intégré dans le silicium et dispose de quatre ports – deux entrées, deux sorties, comme un coupleur de direction optique standard. Aux températures cryogéniques, il peut être utilisé avec des états quantiques monomonon, qui permettent aux vibrations d'agir comme des unités discretes et fiables d'informations quantiques.
« Le coupleur, nous avons fait des actes comme une jonction dans une » route postale « quantique » « , a déclaré Gröblacher. « Il peut diviser, acheminer ou recombiner des vibrations quantiques uniques afin qu'une excitation créée dans un processeur puisse être envoyée de manière fiable à un autre processeur sur la même puce ou à plusieurs destinataires, ce qui permet des appareils et réseaux quantiques plus flexibles et compacts. »
Pour construire le coupleur directionnel intégré, les chercheurs ont modélisé les structures à l'échelle nanométrique sur une puce de silicium pour guider les vibrations le long de minuscules canaux et les rassembler dans une région où ils pouvaient mélanger de manière contrôlée. La réalisation de cette fabrication très précise nécessite que les vibrations puissent parcourir de longues distances sans décoloration.
Démonstration de la division des phonons
En tant que test initial de l'appareil, les chercheurs ont mesuré la façon dont l'énergie dans un paquet d'ondes phonon cohérente était divisée entre les deux cavités de sortie au fil du temps et au cours de plusieurs aller-retour.
En faisant varier la longueur de couplage, ils ont pu atteindre des rapports de division contrôlables. Après ce test classique, ils ont utilisé un schéma de présentation phonon pour vérifier la présence d'un phonon et démontrer que le coupleur s'est comporté comme un séparateur de faisceau pour les phonons uniques – les états de mouvement mécanique.
Les chercheurs s'efforcent maintenant d'ajouter des composants phononiques plus avancés au coupleur, d'améliorer la fabrication pour réduire les pertes et incorporer l'appareil dans des dispositifs multi-composants plus complexes tels que les interféromètres. Pour aller au-delà du laboratoire, ces appareils devront être intégrés aux plates-formes informatiques quantiques existantes.
« La capacité d'acheter et de manipuler des phonons uniques sur une puce est la clé pour transférer des informations quantiques entre différents types de systèmes quantiques et déverrouiller le potentiel des systèmes quantiques hybrides », a déclaré Gröblacher.
« Nous nous attendons à ce que le nouvel appareil soit aussi important que l'homologue optique est en science moderne. »
