Des scientifiques de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ont réalisé une percée en synchronisant six oscillateurs mécaniques dans un état quantique collectif, permettant l'observation de phénomènes uniques tels que l'asymétrie de bande latérale quantique. Cette avancée ouvre la voie à l’innovation dans le domaine de l’informatique et de la détection quantiques.
La technologie quantique révolutionne notre compréhension de l’univers, et un domaine prometteur concerne les oscillateurs mécaniques macroscopiques. Faisant déjà partie intégrante des montres à quartz, des téléphones portables et des lasers de télécommunications, ces appareils pourraient jouer un rôle transformateur dans le domaine quantique. À l’échelle quantique, les oscillateurs macroscopiques ont le potentiel de permettre la création de capteurs ultrasensibles et de composants avancés de l’informatique quantique, apportant ainsi des innovations révolutionnaires à de multiples secteurs.
Parvenir au contrôle des oscillateurs mécaniques au niveau quantique est une étape clé vers la réalisation de ces technologies futures. Cependant, leur gestion collective pose des défis importants, car elle nécessite des unités presque identiques et une très haute précision.
La plupart des recherches en optique quantique se concentrent sur des oscillateurs uniques, démontrant des phénomènes quantiques tels que le refroidissement de l'état fondamental et la compression quantique. Mais ce n’est pas le cas du comportement quantique collectif, où de nombreux oscillateurs agissent comme une seule unité. Bien que ces dynamiques collectives soient essentielles à la création de systèmes quantiques plus puissants, elles nécessitent un contrôle exceptionnellement précis de plusieurs oscillateurs aux propriétés presque identiques.
Les scientifiques dirigés par Tobias Kippenberg de l'EPFL ont désormais atteint un objectif recherché depuis longtemps : ils ont réussi à préparer six oscillateurs mécaniques dans un état collectif, à observer leur comportement quantique et à mesurer des phénomènes qui ne se produisent que lorsque les oscillateurs agissent en groupe. La recherche, publiée dans Science, marque une avancée importante pour la technologie quantique, ouvrant la porte à des systèmes quantiques à grande échelle.
"Cela est rendu possible par le degré extrêmement faible de désordre entre les fréquences mécaniques dans la plate-forme supraconductrice, aussi faible que 0,1%", a déclaré Mahdi Chegnizadeh, premier auteur de l'étude. "Cette précision permet aux oscillateurs d'entrer dans un état collectif dans lequel ils se comportent comme un système unifié plutôt que comme des composants indépendants."
Pour observer les effets quantiques, les scientifiques ont utilisé le refroidissement par bande latérale, une technique qui réduit l'énergie de l'oscillateur à l'état quantique fondamental - l'énergie la plus basse autorisée par la mécanique quantique.
Le refroidissement par bande latérale fonctionne en éclairant l'oscillateur avec un laser dont la fréquence est légèrement inférieure à la fréquence naturelle de l'oscillateur. L'énergie de la lumière interagit avec le système vibrant, lui soustrayant de l'énergie. Ce processus est crucial pour observer des effets quantiques subtils, car il réduit les vibrations thermiques, rapprochant ainsi le système de la stationnaire.
"En augmentant le couplage entre la cavité micro-onde et l'oscillateur, le système passe de la dynamique individuelle à la dynamique collective. Plus intéressant encore, en préparant des modes collectifs dans l'état fondamental quantique, nous avons observé une asymétrie de bande latérale quantique, caractéristique du mouvement collectif quantique. Normalement, le mouvement quantique est limité à un seul objet, mais ici, il s'étend sur l'ensemble du système d'oscillateur", explique Marco Scigliuzzo, co-auteur de l'étude.
Les chercheurs ont également observé des taux de refroidissement plus élevés et l’émergence de modes mécaniques « sombres », c’est-à-dire des modes qui n’interagissent pas avec la cavité du système et maintiennent des énergies plus élevées.
Ces résultats confirment expérimentalement les théories du comportement quantique collectif dans les systèmes mécaniques et ouvrent de nouvelles possibilités pour l’exploration des états quantiques. Ces découvertes ont également des implications majeures pour les futures technologies quantiques, car la capacité de contrôler le mouvement quantique collectif dans les systèmes mécaniques pourrait permettre la détection quantique et l’intrication multipartite.
Compilé à partir de / scitechdaily