Aller doucement sur les systèmes quantiques mécaniques

Lorsque l’on pense aux systèmes de mécanique quantique, on peut penser à des photons uniques et à des ions et des atomes bien isolés, ou à des électrons se propageant à travers un cristal. Plus exotiques dans le contexte de la mécanique quantique sont les systèmes quantiques véritablement mécaniques ; c’est-à-dire des objets massifs dans lesquels le mouvement mécanique tel que la vibration est quantifié. Dans une série d’expériences fondamentales, des caractéristiques de mécanique quantique par excellence ont été observées dans des systèmes mécaniques, notamment la quantification d’énergie et l’intrication.

Cependant, en vue d’utiliser de tels systèmes dans des études fondamentales et des applications technologiques, l’observation des propriétés quantiques n’est qu’une première étape. La prochaine consiste à maîtriser la manipulation des objets quantiques mécaniques, afin que leurs états quantiques puissent être contrôlés, mesurés et éventuellement exploités dans des structures de type dispositif. Le groupe de Yiwen Chu du département de physique de l’ETH Zurich a maintenant fait d’importants progrès dans cette direction. Écrire dans Physique naturelle, ils rapportent l’extraction d’informations d’un système quantique mécanique sans détruire le précieux état quantique. Cette avancée ouvre la voie à des applications telles que la correction d’erreur quantique, et au-delà.

Mécanique quantique massive

Les physiciens de l’ETH utilisent comme système mécanique une plaque de saphir de haute qualité, d’un peu moins d’un demi-millimètre d’épaisseur. Sur son sommet se trouve un mince transducteur piézoélectrique qui peut exciter des ondes acoustiques, qui sont réfléchies vers le bas et s’étendent ainsi sur un volume bien défini à l’intérieur de la dalle. Ces excitations sont le mouvement collectif d’un grand nombre d’atomes, mais elles sont quantifiées (en unités d’énergie appelées phonons) et peuvent être soumises, en principe du moins, à des opérations quantiques à peu près de la même manière que les états quantiques des atomes. , les photons et les électrons peuvent être.

Curieusement, il est possible d’interfacer le résonateur mécanique avec d’autres systèmes quantiques, et avec des qubits supraconducteurs en particulier. Ces derniers sont de minuscules circuits électroniques dans lesquels les états d’énergie électromagnétique sont quantifiés, et ils sont actuellement l’une des principales plates-formes pour la construction d’ordinateurs quantiques évolutifs. Les champs électromagnétiques associés au circuit supraconducteur permettent le couplage du qubit au transducteur piézoélectrique du résonateur acoustique, et ainsi à ses états quantiques mécaniques.

Dans de tels dispositifs hybrides qubit-résonateur, le meilleur des deux mondes peut être combiné. Plus précisément, les capacités de calcul hautement développées des qubits supraconducteurs peuvent être utilisées en synchronie avec la robustesse et la longue durée de vie des modes acoustiques, qui peuvent servir de mémoires quantiques ou de transducteurs. Pour de telles applications, cependant, le simple couplage des états du qubit et du résonateur ne suffira pas. Par exemple, une simple mesure de l’état quantique dans le résonateur le détruit, rendant les mesures répétées impossibles. Ce qu’il faut à la place, c’est la capacité d’extraire des informations sur l’état quantique mécanique d’une manière plus douce et bien contrôlée.

La voie non destructive

Démontrer un protocole pour de telles mesures dites de non-démolition quantique est ce que les doctorants de Chu Uwe von Lüpke, Yu Yang et Marius Bild, en collaboration avec le camarade Branco Weiss Matteo Fadel et avec le soutien de l’étudiant du projet de semestre Laurent Michaud, ont maintenant réalisé. Dans leurs expériences, il n’y a pas d’échange d’énergie direct entre le qubit supraconducteur et le résonateur acoustique pendant la mesure. Au lieu de cela, les propriétés du qubit dépendent du nombre de phonons dans le résonateur acoustique, sans qu’il soit nécessaire de « toucher » directement l’état quantique mécanique – pensez à un theremin, l’instrument de musique dans lequel la hauteur dépend de la position de la main du musicien sans contact physique avec l’instrument.

La création d’un système hybride dans lequel l’état du résonateur est reflété dans le spectre du qubit est très difficile. Il y a des exigences strictes sur la durée pendant laquelle les états quantiques peuvent être maintenus à la fois dans le qubit et dans le résonateur, avant qu’ils ne disparaissent en raison d’imperfections et de perturbations de l’extérieur. La tâche de l’équipe était donc de repousser les durées de vie des états quantiques du qubit et du résonateur. Et ils y sont parvenus, en apportant une série d’améliorations, dont un choix judicieux du type de qubit supraconducteur utilisé et l’encapsulation du dispositif hybride dans une cavité supraconductrice en aluminium pour assurer un blindage électromagnétique étanche.

Informations quantiques sur la base du besoin de savoir

Après avoir poussé avec succès leur système dans le régime opérationnel souhaité (connu sous le nom de « régime dispersif fort »), l’équipe a pu extraire en douceur la distribution du nombre de phonons dans leur résonateur acoustique après l’avoir excité avec différentes amplitudes. De plus, ils ont démontré un moyen de déterminer en une seule mesure si le nombre de phonons dans le résonateur est pair ou impair – une mesure dite de parité – sans rien apprendre d’autre sur la distribution des phonons. L’obtention de ces informations très spécifiques, mais aucune autre, est cruciale dans un certain nombre d’applications de la technologie quantique. Par exemple, un changement de parité (une transition d’un nombre impair à un nombre pair ou vice versa) peut signaler qu’une erreur a affecté l’état quantique et qu’une correction est nécessaire. Ici, il est essentiel, bien sûr, que l’état à corriger ne soit pas détruit.

Avant qu’une mise en œuvre de tels schémas de correction d’erreurs ne soit possible, cependant, un raffinement supplémentaire du système hybride est nécessaire, en particulier pour améliorer la fidélité des opérations. Mais la correction d’erreur quantique n’est de loin pas la seule utilisation à l’horizon. Il existe une abondance de propositions théoriques passionnantes dans la littérature scientifique pour les protocoles d’information quantique ainsi que pour les études fondamentales qui bénéficient du fait que les états quantiques acoustiques résident dans des objets massifs. Celles-ci offrent, par exemple, des opportunités uniques pour explorer la portée de la mécanique quantique à la limite des grands systèmes et pour exploiter les systèmes mécaniques quantiques en tant que capteur.