Des chercheurs de l’Université de Stanford ont développé un dispositif expérimental clé pour les futures technologies basées sur la physique quantique qui emprunte une page aux dispositifs mécaniques actuels et quotidiens.
Fiables, compacts, durables et efficaces, les appareils acoustiques exploitent le mouvement mécanique pour effectuer des tâches utiles. Un excellent exemple d’un tel dispositif est l’oscillateur mécanique. Lorsqu’ils sont déplacés par une force, comme un son, par exemple, les composants de l’appareil commencent à se déplacer d’avant en arrière autour de leur position d’origine. La création de ce mouvement périodique est un moyen pratique de garder le temps, de filtrer les signaux et de détecter le mouvement dans l’électronique omniprésente, y compris les téléphones, les ordinateurs et les montres.
Les chercheurs ont cherché à ramener les avantages des systèmes mécaniques aux échelles extrêmement petites du mystérieux royaume quantique, où les atomes interagissent délicatement et se comportent de manière contre-intuitive. À cette fin, des chercheurs de Stanford dirigés par Amir Safavi-Naeini ont démontré de nouvelles capacités en couplant de minuscules oscillateurs nanomécaniques avec un type de circuit capable de stocker et de traiter l’énergie sous la forme d’un qubit, ou « bit » quantique d’information. À l’aide du qubit de l’appareil, les chercheurs peuvent manipuler l’état quantique des oscillateurs mécaniques, générant les types d’effets mécaniques quantiques qui pourraient un jour renforcer l’informatique avancée et les systèmes de détection ultraprécis.
« Avec cet appareil, nous avons montré une prochaine étape importante en essayant de construire des ordinateurs quantiques et d’autres appareils quantiques utiles basés sur des systèmes mécaniques », a déclaré Safavi-Naeini, professeur agrégé au Département de physique appliquée de la Stanford’s School of Humanities and Les sciences. Safavi-Naeini est l’auteur principal d’une nouvelle étude publiée le 20 avril dans la revue Nature décrivant les découvertes. « Nous cherchons essentiellement à construire des systèmes de » mécanique quantique mécanique « », a-t-il déclaré.
Rassembler des effets quantiques sur des puces informatiques
Les premiers auteurs conjoints de l’étude, Alex Wollack et Agnetta Cleland, tous deux titulaires d’un doctorat. candidats à Stanford, ont dirigé les efforts pour développer ce nouveau matériel quantique basé sur la mécanique. En utilisant les installations partagées de Stanford Nano sur le campus, les chercheurs ont travaillé dans des salles blanches tout en étant équipés de « costumes de lapin » blancs couvrant le corps portés dans les usines de fabrication de semi-conducteurs afin d’empêcher les impuretés de contaminer les matériaux sensibles en jeu.
Avec un équipement spécialisé, Wollack et Cleland ont fabriqué des composants matériels à des résolutions à l’échelle nanométrique sur deux puces informatiques en silicium. Les chercheurs ont ensuite collé les deux puces ensemble afin que les composants de la puce inférieure fassent face à ceux de la moitié supérieure, à la manière d’un sandwich.
Sur la puce inférieure, Wollack et Cleland ont façonné un circuit supraconducteur en aluminium qui forme le qubit de l’appareil. L’envoi d’impulsions micro-ondes dans ce circuit génère des photons (particules de lumière), qui codent un qubit d’informations dans l’appareil. Contrairement aux appareils électriques conventionnels, qui stockent les bits sous forme de tensions représentant un 0 ou un 1, les qubits dans les appareils de mécanique quantique peuvent également représenter simultanément des combinaisons pondérées de 0 et de 1. Cela est dû au phénomène de mécanique quantique connu sous le nom de superposition, où un système quantique existe dans plusieurs états quantiques à la fois jusqu’à ce que le système soit mesuré.
« La façon dont la réalité fonctionne au niveau de la mécanique quantique est très différente de notre expérience macroscopique du monde », a déclaré Safavi-Naeini.
La puce supérieure contient deux résonateurs nanomécaniques formés par des structures cristallines suspendues en forme de pont de quelques dizaines de nanomètres ou milliardièmes de mètre de long. Les cristaux sont en niobate de lithium, un matériau piézoélectrique. Les matériaux dotés de cette propriété peuvent convertir une force électrique en mouvement, ce qui, dans le cas de cet appareil, signifie que le champ électrique véhiculé par le photon qubit est converti en un quantum (ou une seule unité) d’énergie vibratoire appelée phonon.
« Tout comme les ondes lumineuses, qui sont quantifiées en photons, les ondes sonores sont quantifiées en » particules « appelées phonons », a déclaré Cleland, « et en combinant l’énergie de ces différentes formes dans notre appareil, nous créons une technologie quantique hybride qui exploite les avantages des deux. »
La génération de ces phonons a permis à chaque oscillateur nanomécanique d’agir comme un registre, qui est le plus petit élément de stockage de données possible dans un ordinateur, et le qubit fournissant les données. Comme le qubit, les oscillateurs peuvent donc également être dans un état de superposition – ils peuvent être à la fois excités (représentant 1) et non excités (représentant 0) en même temps. Le circuit supraconducteur a permis aux chercheurs de préparer, lire et modifier les données stockées dans les registres, conceptuellement similaires au fonctionnement des ordinateurs conventionnels (non quantiques).
« Le rêve est de créer un appareil qui fonctionne de la même manière que les puces informatiques en silicium, par exemple, dans votre téléphone ou sur une clé USB, où les registres stockent des bits », a déclaré Safavi-Naeini. « Et bien que nous ne puissions pas encore stocker de bits quantiques sur une clé USB, nous montrons le même genre de chose avec des résonateurs mécaniques. »
Tirer parti de l’enchevêtrement
Au-delà de la superposition, la connexion entre les photons et les résonateurs dans le dispositif a encore exploité un autre phénomène mécanique quantique important appelé intrication. Ce qui rend les états intriqués si contre-intuitifs, et aussi notoirement difficiles à créer en laboratoire, c’est que les informations sur l’état du système sont réparties sur un certain nombre de composants. Dans ces systèmes, il est possible de tout savoir sur deux particules ensemble, mais rien sur l’une des particules observées individuellement. Imaginez deux pièces qui sont lancées à deux endroits différents et qui atterrissent comme pile ou face au hasard avec une probabilité égale, mais lorsque les mesures aux différents endroits sont comparées, elles sont toujours corrélées ; c’est-à-dire que si une pièce atterrit en face, l’autre pièce est garantie d’atterrir en face.
La manipulation de plusieurs qubits, tous en superposition et enchevêtrés, est le coup de poing qui alimente le calcul et la détection dans les technologies quantiques recherchées. « Sans superposition et beaucoup d’enchevêtrements, vous ne pouvez pas construire d’ordinateur quantique », a déclaré Safavi-Naeini.
Pour démontrer ces effets quantiques dans l’expérience, les chercheurs de Stanford ont généré un seul qubit, stocké sous forme de photon dans le circuit de la puce inférieure. Le circuit a ensuite été autorisé à échanger de l’énergie avec l’un des oscillateurs mécaniques sur la puce supérieure avant de transférer les informations restantes au deuxième dispositif mécanique. En échangeant de l’énergie de cette manière – d’abord avec un oscillateur mécanique, puis avec le deuxième oscillateur – les chercheurs ont utilisé le circuit comme un outil pour emmêler mécaniquement quantique les deux résonateurs mécaniques l’un avec l’autre.
« L’étrangeté de la mécanique quantique est pleinement exposée ici », a déclaré Wollack. « Non seulement le son se présente sous forme d’unités discrètes, mais une seule particule de son peut être partagée entre les deux objets macroscopiques enchevêtrés, chacun avec des milliards d’atomes se déplaçant – ou ne bougeant pas – de concert. »
Pour effectuer éventuellement des calculs pratiques, la période d’enchevêtrement soutenu, ou de cohérence, devrait être considérablement plus longue – de l’ordre de quelques secondes au lieu des fractions de secondes obtenues jusqu’à présent. La superposition et l’enchevêtrement sont tous deux des conditions très délicates, vulnérables même à de légères perturbations sous forme de chaleur ou d’une autre énergie, et confèrent par conséquent aux dispositifs de détection quantique proposés une sensibilité exquise. Mais Safavi-Naeini et ses co-auteurs pensent que des temps de cohérence plus longs peuvent être facilement réalisables en perfectionnant les processus de fabrication et en optimisant les matériaux impliqués.
« Nous avons amélioré les performances de notre système au cours des quatre dernières années de près de 10 fois par an », a déclaré Safavi-Naeini. « À l’avenir, nous continuerons à faire des pas concrets vers la conception de dispositifs mécaniques quantiques, comme des ordinateurs et des capteurs, et à apporter les avantages des systèmes mécaniques dans le domaine quantique. »
E. Alex Wollack et al, Préparation de l’état quantique et tomographie des résonateurs mécaniques intriqués, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04500-y