Les systèmes opto-mécaniques ont toujours été au cœur des débats scientifiques du XXIe siècle. Au cours de la dernière décennie, la convergence réussie de phénomènes quantiques avec des systèmes mécaniques a marqué un tournant dans le domaine.
Les scientifiques ont su associer des oscillateurs mécaniques à des photons lumineux, formant ainsi des « systèmes opto-mécaniques ». Ces combinaisons ont permis de refroidir les oscillateurs à un niveau d’énergie proche de la limite quantique, de les « compresser » pour minimiser davantage leurs vibrations, et même de les entrelacer entre eux.
De telles prouesses ouvrent des portes dans des domaines variés comme la détection quantique, le stockage compact pour l’informatique quantique, et même la recherche sur la matière noire.
L’équilibre délicat : Isolation et couplage
Le défi réside dans le fonctionnement optimal des systèmes opto-mécaniques au niveau quantique. Les oscillateurs mécaniques doivent être parfaitement isolés pour éviter toute perte d’énergie, tout en étant bien couplés à d’autres systèmes comme les résonateurs électromagnétiques pour un contrôle efficace.
Il est essentiel de prolonger la durée de vie des états quantiques des oscillateurs qui sont sensibles aux fluctuations thermiques de leur environnement et aux instabilités de leur fréquence – un phénomène connu sous le nom de « décohérence ».
La solution de l’EPFL : Réduire la décohérence
Des chercheurs de l’EPFL, sous la houlette de Tobias J. Kippenberg, ont mis au point une plateforme opto-mécanique sur circuit supraconducteur affichant une décohérence quantique extrêmement faible, tout en conservant un couplage opto-mécanique conséquent.
« En termes simples, nous avons démontré la plus longue durée de vie d’un état quantique jamais atteinte dans un oscillateur mécanique, qui peut servir de composant de stockage quantique dans les systèmes de communication et d’informatique quantiques, » commente Amir Youssefi, doctorant à la tête du projet.
L’innovation technique
L’élément phare de cette prouesse est le « condensateur à membrane avec espace vide », composé d’une fine couche d’aluminium suspendue au-dessus d’une tranchée dans un substrat de silicium. En utilisant une technique de nano-fabrication novatrice, l’équipe a réduit considérablement les pertes mécaniques, établissant un taux de décohérence thermique inédit.
« Ce niveau de contrôle nous permet d’observer l’évolution libre des états mécaniques comprimés préservant leur comportement quantique pendant une période prolongée, » souligne Shingo Kono, collaborateur de la recherche.
En synthèse
La découverte de l’EPFL marque une étape majeure dans le monde de la physique quantique. Les oscillateurs mécaniques dotés d’une décohérence réduite ouvrent un éventail de possibilités, de l’informatique quantique aux tests sur la gravité quantique.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un système optomécanique ?
Il s’agit d’un système dans lequel des oscillateurs mécaniques sont couplés à des photons lumineux. Cette combinaison permet de manipuler et contrôler des états quantiques à l’aide de la lumière.
Pourquoi la décohérence est-elle un défi dans l’optomécanique ?
La décohérence est un phénomène par lequel un système quantique perd son caractère quantique, le rendant moins stable. Dans l’optomécanique, cela affecte la durée de vie des états quantiques, les rendant vulnérables aux perturbations extérieures, comme les fluctuations thermiques.
Comment l’EPFL a-t-elle réussi à réduire la décohérence ?
Les chercheurs de l’EPFL ont utilisé une technique de nanofabrication innovante et un type particulier de condensateur à membrane. Cette combinaison a permis de réduire significativement les pertes mécaniques, entraînant une réduction de la décohérence thermique.
Qu’est-ce qu’un condensateur à membrane avec espace vide ?
C’est un composant constitué d’une fine couche d’aluminium suspendue au-dessus d’une tranchée dans un substrat de silicium. Il sert à la fois d’élément vibrant de l’oscillateur et forme un circuit résonant micro-ondes.
Quels sont les avantages de réduire la décohérence en optomécanique ?
Réduire la décohérence augmente la fidélité du contrôle quantique, permettant une meilleure mesure des systèmes mécaniques macroscopiques. De plus, cela améliore la qualité des tests en gravité quantique et le potentiel de stockage quantique.
Comment cette découverte impacte-t-elle l’informatique quantique ?
Avec une durée de vie prolongée des états quantiques et une décohérence réduite, ces systèmes peuvent servir de composants de stockage quantique fiables. Ils peuvent stocker des informations quantiques pendant de plus longues périodes, ce qui est essentiel pour le développement de l’informatique quantique.
Quelle est la prochaine étape pour cette recherche ?
Bien que l’étude ait déjà accompli des progrès significatifs, l’objectif ultime serait d’intégrer ces systèmes dans des architectures quantiques plus vastes, d’améliorer encore leur efficacité et de trouver des applications pratiques dans des domaines tels que la communication quantique.
Comment cette technologie se compare-t-elle à d’autres, comme les qubits supraconducteurs ?
Les systèmes optomécaniques, en raison de leur faible décohérence et de leur longue durée de vie, pourraient offrir des avantages en matière de stockage par rapport aux qubits supraconducteurs. Cependant, chaque technologie a ses propres avantages et défis, et la recherche continue dans les deux domaines.
Image au microscope électronique à balayage d’un système électromécanique supraconducteur ultra-cohérent. Credit: Amir Youssefi (EPFL)
