Compter les grains de son

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Selon un principe central de la mécanique quantique, l’énergie d’un système physique est quantifiée – l’énergie ne peut être augmentée ou réduite que par étapes discrètes. Par exemple, le son et les vibrations sont quantifiés en paquets discrets appelés phonons. , Arrangoiz-Arriola et al. signaler un dispositif supraconducteur pouvant directement indiquer le nombre de phonons présents dans la vibration d'une structure à l'échelle nanométrique. Ce travail démontre non seulement la quantification de l’énergie vibratoire, mais fournit également une analyse des états quantiques des phonons qui pourrait permettre la mise au point d’outils innovants pour le traitement de l’information quantique.

D'innombrables expériences en optique quantique ont confirmé l'existence et les propriétés des photons (paquets de lumière) dans le cadre d'une application remarquablement réussie de la théorie quantique. Aujourd'hui, les techniques abondent pour manipuler et détecter la lumière au niveau des photons individuels, qui constituent à leur tour la base de nombreuses technologies quantiques. La situation est quelque peu différente pour le son et les vibrations. L’existence de phonons est reconnue depuis longtemps et sous-tend notre compréhension de nombreuses propriétés des solides. Mais la technologie permettant de mesurer et de contrôler les vibrations au niveau quantique en est encore à ses balbutiements.

Arrangoiz-Arriola et ses collègues suivent une approche connue sous le nom d'acoustique quantique (l’analogue acoustique de l’optique quantique), dans lequel une structure vibrante est couplée à un atome artificiel. Cet atome existe dans l'un des deux états, et l'absorption d'un seul phonon de la structure vibrante est suffisante pour induire une transition entre les états. En conséquence, les méthodes de détection et de préparation de l'état de l'atome permettent de contrôler les phonons un à un.

Dans les travaux des auteurs, l’atome artificiel est un qubit de transmon – un circuit supraconducteur sophistiqué fonctionnant aux hyperfréquences. Mis à part les détails techniques, ces dispositifs sont considérés comme des éléments constitutifs potentiels des futurs ordinateurs quantiques, et il existe des techniques éprouvées pour mesurer et manipuler leur état. Pour l’acoustique quantique, il est essentiel d’obtenir le couplage le plus large possible entre le qubit de transmon et la structure vibrante.

Arrangoiz-Arriola et al. parvenir à obtenir un couplage si fort qu’il n’est plus nécessaire pour un phonon d’être absorbé par le qubit à détecter. Le système d'articulation peut plutôt être exploité dans une plage de paramètres connue sous le nom de régime dispersif, dans lequel la simple présence d'un seul phonon déplace l'énergie requise pour modifier l'état du bit d'une valeur discrète.. Ce transfert d'énergie est mesurable car il est beaucoup plus grand que l'incertitude de la différence d'énergie entre les deux états. Par conséquent, dans une expérience de spectroscopie, le pic spectral associé à la transition du qubit d’un état à l’autre se décale d’une valeur supérieure à sa largeur de raie (mesure de la largeur du pic).

Les auteurs ont observé l'apparition d'un tel pic décalé lorsqu'un faible stimulus excitait une nanostructure et la faisait vibrer. Cette caractéristique indique la présence d'un seul phonon. Au fur et à mesure que l'amplitude du stimulus augmentait, d'autres pics apparaissaient, signalant la présence de deux phonons, trois phonons, etc. La mécanique quantique permet à différents nombres de phonons d'exister en même temps, de sorte que plusieurs pics sont visibles. Ces résultats sont en désaccord avec la compréhension classique (non quantique) du son, ce qui suggérerait que le pic spectral se déplace de manière continue, d’une quantité proportionnelle à l’énergie vibratoire moyenne de la nanostructure. Au lieu de cela, les données révèlent la quantification de l'énergie vibratoire avec une clarté frappante.

Une ingénierie intelligente de la nanostructure vibrante est cruciale pour le succès de la plate-forme de comptage de phonons des auteurs (Fig. 1). Premièrement, la nanostructure est fabriquée à partir de niobate de lithium, qui est fortement piézoélectrique – elle produit une tension importante en réponse à une déformation mécanique. En conséquence, le mouvement de la nanostructure est accompagné de champs électriques relativement importants, auxquels le qubit est susceptible. Deuxièmement, en tant qu’innovation en acoustique quantique, les auteurs modélisent le niobate de lithium en une structure connue sous le nom de cristal phononique, dans laquelle la vitesse du son est modulée périodiquement. Ce cristal protège le système articulaire des effets néfastes de l'environnement et permet à un seul type de phonon d'interagir avec le qubit, ce qui produit un signal net.

Figure 1 | Une plateforme de comptage de phonons. une, Arrangoiz-Arriola et al. rapporte un moyen de déterminer le nombre de phonons (unités quantiques d'énergie vibratoire) présents dans une nanostructure vibrante. Les auteurs lient la nanostructure à un dispositif supraconducteur appelé qubit de transmon utilisant des électrodes supraconductrices et des connexions. Ils utilisent une structure connue sous le nom de cristal phononique (couche bleu clair) pour réduire les pertes de phonons dans l'environnement. b, Le qubit du transmon existe dans l’un des deux états. En l'absence de phonons, une transition entre ces états nécessite une énergie spécifique et produit un seul pic spectral. La présence de phonons dans la nanostructure vibrante entraîne le décalage d'une quantité discrète de l'énergie de transition et du pic spectral. Dans l'exemple présenté, il existe des pics correspondant à zéro (bleu), un (jaune), deux (rouge) et trois (violet) phonons. La mécanique quantique permet à différents nombres de phonons d'exister simultanément, ce qui donne lieu à plusieurs pics.

Bien que le cristal phononique réduise la perte de phonons dans l'environnement, cette perte reste un facteur limitant. La spectroscopie Qubit prend du temps – en général, il faut plus de temps lorsque la largeur de raie du pic doit être étroite. Les phonons sont perdus pendant ce temps, de sorte que la probabilité qu'un nombre particulier de phonons soit présent dans une vibration change au fur et à mesure que la mesure avance. Cette perte limite également le nombre de phonons pour lesquels une présence simultanée peut être constatée.

Résultats présentés cette année en utilisant des cristaux de silicium phononiques suggèrent que la perte de phonons pourrait encore être réduite dans Arrangoiz-Arriola et la plate-forme de ses collègues. Il pourrait alors être possible d'effectuer des mesures quantiques d'énergie de vibration non-démolition; ceux-ci révéleraient le nombre de phonons sans le changer, de sorte que des mesures répétées donnent le même résultat. C’est un rêve de longue date pour les chercheurs qui s’intéressent à la mesure des systèmes mécaniques, car il incarne bon nombre des principes fondamentaux des mesures quantiques.

Le potentiel technologique de la plateforme des auteurs est tout aussi excitant. Une application possible est un modem quantique, nécessaire pour réaliser des réseaux d’ordinateurs quantiques situés à des emplacements différents. Un tel modem relierait des qubits supraconducteurs à des photons optiques (pouvant voyager sur des réseaux de fibres optiques) via une interface en cascade, le couplage qubit – phonon présenté ici étant combiné à des liaisons phonon – photon développées dans le domaine de l'optomécanique de cavité.. Enfin, une nouvelle architecture pour les ordinateurs quantiques pourrait potentiellement émerger, dans laquelle les bits supraconducteurs traitent les informations stockées dans des registres de phonons compacts – peut-être une perspective plus spéculative, mais certainement intrigante.

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