Alors que la maîtrise des phénomènes quantiques à température ambiante semblait hors de portée, une équipe de l’EPFL repousse les frontières de la physique et de l’ingénierie. En effet, leur système optomécanique innovant devrait permettre de concevoir de nouvelles applications pratiques de la technologie quantique.
La recherche en mécanique quantique a franchi un cap décisif avec les travaux de Tobias J. Kippenberg et Nils Johan Engelsen de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Leur étude, publiée dans la revue Nature, présente un système optomécanique à faible bruit capable de contrôler les phénomènes quantiques à température ambiante.
Le défi majeur résidait dans la gestion du bruit thermique, perturbateur des dynamiques quantiques délicates. Pour y remédier, les chercheurs ont utilisé des miroirs de cavité avec des structures périodiques cristallines, réduisant ainsi le bruit thermique et permettant une interaction lumière-mouvement de haute précision.
Le microscope de Heisenberg, une réalité expérimentale
Le dispositif expérimental, qualifié de microscope de Heisenberg par Kippenberg, a permis d’observer et de manipuler des phénomènes quantiques sans nécessiter des températures extrêmement basses. L’oscillateur mécanique, un dispositif semblable à un tambour de 4mm, joue un rôle clé dans l’isolation du système contre les bruits environnementaux.
« L’oscillateur mécanique que nous utilisons dans cette expérience est le résultat de nombreuses années d’efforts pour créer des oscillateurs bien isolés de l’environnement », explique Nils Johan Engelsen.
Des implications pour la mesure de précision
Guanhao Huang, l’un des doctorants à la tête du projet, souligne l’importance des techniques développées pour gérer les sources de bruit complexes, qui auront un impact significatif sur la communauté de la mesure de précision.
Le système a permis d’atteindre le « squeezing optique », un phénomène quantique où certaines propriétés de la lumière sont manipulées pour réduire les fluctuations d’une variable au détriment de l’augmentation des fluctuations d’une autre.
En synthèse
La capacité de fonctionner à température ambiante élargit l’accès aux systèmes optomécaniques quantiques, essentiels pour les tests de mesure quantique et la mécanique quantique à l’échelle macroscopique.
« Le système que nous avons développé pourrait faciliter de nouveaux systèmes quantiques hybrides », ajoute Alberto Beccari, l’autre doctorant dirigeant l’étude.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’optomécanique quantique ?
L’optomécanique quantique est un domaine de la physique qui étudie l’interaction entre la lumière et le mouvement mécanique à l’échelle quantique.
Pourquoi la température ambiante est-elle importante dans ces recherches ?
La température ambiante permet une manipulation plus aisée et des applications pratiques plus larges des technologies quantiques, sans la contrainte de refroidissement extrême.
Qu’est-ce que le squeezing optique ?
Le squeezing optique est un phénomène quantique où l’on réduit les fluctuations d’une propriété de la lumière, comme son intensité ou sa phase, au détriment d’une augmentation des fluctuations dans une autre propriété.
Quel est le rôle des miroirs de cavité dans l’expérience ?
Les miroirs de cavité piègent la lumière et renforcent son interaction avec les éléments mécaniques, réduisant le bruit thermique.
Quelles sont les applications potentielles de cette recherche ?
Cette avancée pourrait conduire à de nouveaux systèmes quantiques hybrides utiles pour l’information quantique et la création d’états quantiques complexes.
Références
Légende illustration : Schéma conceptuel du dispositif d’exploitation, composé d’un tambour chargé de nanopilliers pris en sandwich par deux miroirs à segments périodiques, permettant à la lumière laser d’interagir fortement avec le quantum mécanique du tambour à température ambiante. Crédit : EPFL & Second Bay Studios
Article : « Room-temperature quantum optomechanics using an ultra-low noise cavity. » – DOI: 10.1038/s41586-023-06997-3
