Des physiciens ont pour la première fois observé directement des sauts quantiques du son en utilisant un résonateur mécanique, bouclant un cycle de recherche fondamental en physique qui a débuté il y a plus de 100 ans. L’observation des sauts quantiques sur les phonons constituait en effet jusqu’ici un défi de longue haleine et les nouveaux résultats pourraient non seulement éclairer sur leur nature physique, mais également ouvrir la voie à de nouvelles technologies quantiques.
Le concept de saut quantique remonte aux premiers développements de la mécanique quantique, au début du XXe siècle. Il désigne une transition soudaine entre deux états quantiques d’un système, par exemple le passage d’un électron d’un niveau d’énergie à un autre au sein d’un atome. Ces transitions ont été démontrées expérimentalement dans les ions piégés en 1986, puis dans des photons en 2007.
L’observation de ces transitions dans les phonons, les quanta des vibrations d’un matériau, s’avère cependant particulièrement difficile. Les phonons sont des quasi-particules : ils correspondent à des excitations quantifiées des vibrations d’un matériau. Ils possèdent des propriétés de particules, mais résultent d’excitations collectives des atomes d’un matériau et se propagent dans un milieu matériel.
Détecter et suivre un phonon individuel est particulièrement difficile, notamment parce qu’il s’agit d’une excitation collective au sein d’un matériau. La durée de vie des phonons dépend du matériau, du mode vibratoire et de l’environnement. Les bruits thermiques peuvent également perturber leur comportement quantique. Dans une étude parue dans la revue Science, des chercheurs de l’Université de Stanford affirment avoir réalisé la première observation directe de sauts quantiques de phonons.
« Cette étude nous permettra de progresser dans le développement de nouvelles technologies quantiques utilisant le son », a déclaré Amir Safavi-Naeini, professeure associée de physique appliquée à la Faculté des sciences humaines et sociales de l’Université de Stanford, dans un communiqué. « Nous avons constaté que les objets vibrants peuvent présenter un comportement quantique, condition essentielle à de nombreuses opérations nécessaires à l’informatique et à la détection quantiques. »
Quand le qubit devient l’œil du résonateur
À l’oreille humaine, les vibrations d’une onde sonore semblent s’estomper progressivement plutôt que s’arrêter brutalement. Dans le régime quantique, l’énergie d’un mode vibratoire peut toutefois prendre des valeurs discrètes correspondant à différents nombres de phonons. Les transitions entre ces états constituent les sauts quantiques observés dans l’expérience.
Si des travaux antérieurs avaient déjà mis en évidence des transitions quantiques dans des systèmes mécaniques, la nouvelle étude serait la première, selon ses auteurs, à démontrer directement des transitions entre états de phonons individuels avec une résolution temporelle permettant de suivre leur évolution. La portée exacte de cette nouveauté doit être précisée à partir de l’article scientifique et de ses références.
Pour cela, les chercheurs ont utilisé un résonateur mécanique, un système conçu pour vibrer selon une fréquence précise. Ce type de dispositif peut être fabriqué à l’aide de techniques standards de prototypage sur puce. Sa taille réduite permet également d’intégrer de nombreux résonateurs sur une même puce.
Le résonateur comporte une structure mécanique comparable, par sa fonction, à un diapason microscopique. Son mode vibratoire présente une durée de vie de deux millisecondes. Cette durée, relativement longue pour ce type de système quantique, permet de réaliser des mesures avant que l’énergie vibratoire ne se dissipe. Il s’agit d’une propriété du résonateur et de son environnement, et non d’une caractéristique universelle des phonons.
Pour mesurer le système tout en limitant les perturbations de son état quantique, les chercheurs ont couplé le résonateur à un qubit supraconducteur, un circuit électrique capable de stocker des informations quantiques et de servir de système de lecture. Le rôle exact du qubit dans le protocole doit être décrit conformément à l’étude.
« Nous avons dû constamment développer de nouveaux procédés pour fabriquer cet objet vibrant à la durée de vie extrêmement longue, puis l’intégrer au qubit, qui est notre petit détecteur électrique, sans endommager aucun des deux sous-systèmes », explique l’auteur principal de l’étude, Takuma Makihara, doctorant au Département de physique appliquée et du laboratoire Ginzton de l’Université de Stanford.
Deux millisecondes pour détecter un saut quantique
La durée de vie du résonateur a permis au qubit couplé d’effectuer des centaines de mesures répétées et de détecter avec précision les transitions entre états de phonons. L’expérience a notamment permis de suivre le passage d’un état à un phonon à l’état fondamental, qui ne contient aucun phonon. La portée exacte des transitions observées doit être précisée à partir des données et de la terminologie employée par les auteurs.
« Cela montre que nous pouvons avoir un contrôle incroyablement précis du son, ce qui pourrait signifier que les appareils qui utilisent le son comme technologie fondamentale peuvent être beaucoup améliorés », indique Erik Skaziel, également coauteur de l’étude.
Les résultats pourraient contribuer à l’étude de méthodes de détection d’erreurs dans certains systèmes quantiques. Dans plusieurs de ces systèmes, les transitions quantiques peuvent signaler une perte d’information ou une perturbation de l’état quantique. La capacité à détecter ces transitions constitue une étape vers une meilleure compréhension et, potentiellement, une correction plus efficace des erreurs. L’expérience décrite ne démontre toutefois pas, à elle seule, une méthode complète de correction d’erreurs quantiques.
Ces travaux pourraient également contribuer au développement de dispositifs quantiques de mesure et de détection exploitant les vibrations mécaniques. Les applications à des technologies du quotidien, notamment aux smartphones, ne sont pas établies par les seuls résultats présentés ici.
