Lorsque nous écoutons notre chanson préférée, ce qui ressemble à une onde musicale continue est en fait transmis sous forme de minuscules paquets de particules quantiques appelées phonons.
Les lois de la mécanique quantique soutiennent que les particules quantiques sont fondamentalement indivisibles et ne peuvent donc pas être divisées, mais des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago étudient ce qui se passe lorsque vous essayez de diviser un phonon.
Dans deux expériences, les premières du genre, une équipe dirigée par le professeur Andrew Cleland a utilisé un appareil appelé séparateur de faisceau acoustique pour « séparer » les phonons et ainsi démontrer leurs propriétés quantiques. En montrant que le séparateur de faisceau peut être utilisé à la fois pour induire un état de superposition quantique spécial pour un phonon et pour créer davantage d’interférences entre deux phonons, l’équipe de recherche a franchi les premières étapes critiques vers la création d’un nouveau type d’ordinateur quantique.
Les résultats sont publiés dans la revue Science et construit sur des années de travail révolutionnaire sur les phonons par l’équipe de Pritzker Molecular Engineering.
« Diviser » un phonon en une superposition
Dans les expériences, les chercheurs ont utilisé des phonons dont la hauteur tonale est environ un million de fois supérieure à celle que l’on peut entendre avec l’oreille humaine. Auparavant, Cleland et son équipe ont découvert comment créer et détecter des phonons uniques et ont été les premiers à enchevêtrer deux phonons.
Pour démontrer les capacités quantiques de ces phonons, l’équipe – y compris l’étudiant diplômé de Cleland, Hong Qiao – a créé un séparateur de faisceau qui peut diviser un faisceau de son en deux, en transmettant la moitié et en réfléchissant l’autre moitié vers sa source (les séparateurs de faisceau existent déjà pour la lumière et ont été utilisé pour démontrer les capacités quantiques des photons). L’ensemble du système, y compris deux qubits pour générer et détecter des phonons, fonctionne à des températures extrêmement basses et utilise des phonons d’ondes acoustiques de surface individuels, qui se déplacent à la surface d’un matériau, dans ce cas le niobate de lithium.
Cependant, la physique quantique dit qu’un seul phonon est indivisible. Ainsi, lorsque l’équipe a envoyé un seul phonon au séparateur de faisceau, au lieu de se séparer, il est entré dans une superposition quantique, un état où le phonon est à la fois réfléchi et transmis en même temps. L’observation (la mesure) du phonon provoque l’effondrement de cet état quantique dans l’une des deux sorties.
L’équipe a trouvé un moyen de maintenir cet état de superposition en capturant le phonon en deux qubits. Un qubit est l’unité d’information de base en informatique quantique. Un seul qubit capture réellement le phonon, mais les chercheurs ne peuvent pas dire quel qubit avant la post-mesure. En d’autres termes, la superposition quantique est transférée du phonon aux deux qubits. Les chercheurs ont mesuré cette superposition de deux qubits, fournissant « une preuve de référence que le séparateur de faisceau crée un état intriqué quantique », a déclaré Cleland.
Montrer que les phonons se comportent comme des photons
Dans la deuxième expérience, l’équipe voulait montrer un effet quantique fondamental supplémentaire qui avait été démontré pour la première fois avec des photons dans les années 1980. Maintenant connu sous le nom d’effet Hong-Ou-Mandel, lorsque deux photons identiques sont envoyés de directions opposées dans un séparateur de faisceau en même temps, les sorties superposées interfèrent de sorte que les deux photons se retrouvent toujours voyageant ensemble, dans l’une ou l’autre direction de sortie.
Il est important de noter que la même chose s’est produite lorsque l’équipe a fait l’expérience avec les phonons : la sortie superposée signifie qu’un seul des deux qubits détecteurs capte les phonons, allant dans un sens mais pas dans l’autre. Bien que les qubits n’aient la capacité de capturer qu’un seul phonon à la fois, et non deux, le qubit placé dans la direction opposée n' »entend » jamais un phonon, ce qui prouve que les deux phonons vont dans la même direction. Ce phénomène est appelé interférence à deux phonons.
Faire entrer des phonons dans ces états intriqués quantiques est un saut beaucoup plus important que de le faire avec des photons. Les phonons utilisés ici, bien qu’indivisibles, nécessitent toujours des quadrillions d’atomes travaillant ensemble de manière mécanique quantique. Et si la mécanique quantique ne régit la physique que dans le plus petit domaine, elle soulève des questions quant à savoir où ce domaine se termine et où commence la physique classique ; cette expérience sonde davantage cette transition.
« Ces atomes doivent tous se comporter de manière cohérente pour soutenir ce que la mécanique quantique dit qu’ils devraient faire », a déclaré Cleland. « C’est assez incroyable. Les aspects bizarres de la mécanique quantique ne sont pas limités par leur taille. »
Création d’un nouvel ordinateur quantique mécanique linéaire
La puissance des ordinateurs quantiques réside dans « l’étrangeté » du domaine quantique. En exploitant les étranges pouvoirs quantiques de superposition et d’intrication, les chercheurs espèrent résoudre des problèmes auparavant insolubles. Une approche pour y parvenir consiste à utiliser des photons, dans ce qu’on appelle un « ordinateur quantique optique linéaire ».
Un ordinateur quantique mécanique linéaire – qui utiliserait des phonons au lieu de photons – pourrait lui-même avoir la capacité de calculer de nouveaux types de calculs. « Le succès de l’expérience d’interférence à deux phonons est la dernière pièce montrant que les phonons sont équivalents aux photons », a déclaré Cleland. « Le résultat confirme que nous avons la technologie dont nous avons besoin pour construire un ordinateur quantique à mécanique linéaire. »
Contrairement à l’informatique quantique optique linéaire basée sur les photons, la plate-forme de l’Université de Chicago intègre directement les phonons aux qubits. Cela signifie que les phonons pourraient en outre faire partie d’un ordinateur quantique hybride qui combine le meilleur des ordinateurs quantiques linéaires avec la puissance des ordinateurs quantiques basés sur des qubits.
L’étape suivante consiste à créer une porte logique – une partie essentielle de l’informatique – à l’aide de phonons, sur laquelle Cleland et son équipe mènent actuellement des recherches.
D’autres auteurs sur le papier incluent É. Dumur, G. Andersson, H. Yan, M.-H. Chou, J. Grebel, CR Conner, YJ Joshi, JM Miller, RG Povey et X. Wu.
Plus d’information:
H. Qiao et al, Séparer les phonons : construire une plate-forme pour l’informatique quantique mécanique linéaire, Science (2023). DOI : 10.1126/science.adg8715. www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715