Des scientifiques inventent une «flûte quantique» capable de faire bouger ensemble des particules de lumière

Des physiciens de l’Université de Chicago ont inventé une « flûte quantique » qui, comme le joueur de flûte, peut contraindre les particules de lumière à se déplacer ensemble d’une manière jamais vue auparavant.

Décrite dans deux études publiées dans Lettres d’examen physique et Physique naturellecette percée pourrait ouvrir la voie à la réalisation de mémoires quantiques ou à de nouvelles formes de correction d’erreurs dans les ordinateurs quantiques, et à l’observation de phénomènes quantiques invisibles dans la nature.

Assoc. Le laboratoire du professeur David Schuster travaille sur des bits quantiques – l’équivalent quantique d’un bit informatique – qui exploitent les propriétés étranges des particules au niveau atomique et subatomique pour faire des choses autrement impossibles. Dans cette expérience, ils travaillaient avec des particules de lumière, appelées photons, dans le spectre des micro-ondes.

Le système qu’ils ont imaginé consiste en une longue cavité réalisée dans un seul bloc de métal, destinée à piéger les photons aux fréquences micro-ondes. La cavité est réalisée en perçant des trous décalés, comme des trous dans une flûte.

« Tout comme dans l’instrument de musique », a déclaré Schuster, « vous pouvez envoyer une ou plusieurs longueurs d’onde de photons à travers l’ensemble, et chaque longueur d’onde crée une » note « qui peut être utilisée pour coder des informations quantiques. » Les chercheurs peuvent alors contrôler les interactions des « notes » à l’aide d’un bit quantique maître, un circuit électrique supraconducteur.

Mais leur découverte la plus étrange était la façon dont les photons se comportaient ensemble.

Dans la nature, les photons n’interagissent presque jamais, ils se traversent simplement les uns les autres. Avec une préparation minutieuse, les scientifiques peuvent parfois inciter deux photons à réagir à la présence de l’autre.

« Ici, nous faisons quelque chose d’encore plus étrange », a déclaré Schuster. « Au début, les photons n’interagissent pas du tout, mais lorsque l’énergie totale du système atteint un point de basculement, tout d’un coup, ils se parlent tous. »

Avoir autant de photons « parlant » les uns aux autres dans une expérience de laboratoire est extrêmement étrange, comme voir un chat marcher sur ses pattes arrière.

« Normalement, la plupart des interactions de particules sont en tête-à-tête, deux particules rebondissant ou s’attirant », a déclaré Schuster. « Si vous en ajoutez un troisième, ils interagissent généralement toujours de manière séquentielle avec l’un ou l’autre. Mais ce système les fait tous interagir en même temps. »

Leurs expériences ne testaient que jusqu’à cinq « notes » à la fois, mais les scientifiques pourraient éventuellement imaginer faire passer des centaines ou des milliers de notes sur un seul qubit pour les contrôler. Avec une opération aussi complexe qu’un ordinateur quantique, les ingénieurs veulent simplifier partout où ils le peuvent, a déclaré Schuster : « Si vous vouliez construire un ordinateur quantique avec 1 000 bits et que vous pouviez tous les contrôler via un seul bit, ce serait incroyablement précieux. . »

Les chercheurs sont également enthousiasmés par le comportement lui-même. Personne n’a observé quoi que ce soit comme ces interactions dans la nature, donc les chercheurs espèrent également que la découverte pourra être utile pour simuler des phénomènes physiques complexes qui ne peuvent même pas être vus ici sur Terre, y compris peut-être même une partie de la physique des trous noirs.

Au-delà de cela, les expériences sont juste amusantes.

« Normalement, les interactions quantiques se déroulent sur des échelles de temps et de longueur trop petites ou trop rapides pour être vues. Dans notre système, nous pouvons mesurer des photons uniques dans n’importe laquelle de nos notes et observer l’effet de l’interaction au fur et à mesure qu’elle se produit. C’est vraiment très chouette de ‘ voyez une interaction quantique avec votre œil », a déclaré le chercheur postdoctoral UChicago Srivatsan Chakram, le co-premier auteur de l’article, maintenant professeur adjoint à l’Université Rutgers.