Un pont pour coupler les circuits quantiques aux dispositifs mécaniques
L’optomécanique est une branche de la physique dans le cadre de laquelle des micro-ondes détectent et contrôlent la position de résonateurs ou oscillateurs mécaniques, au niveau quantique, ce qui signifie que les chercheurs peuvent à la fois «entendre» les fluctuations quantiques et programmer les états quantiques. «Cela nous donne l’opportunité d’explorer un territoire encore méconnu: la superposition quantique d’objets “lourds”. Les superpositions quantiques, où différents états quantiques sont combinés, sont bien établies pour les objets “légers” tels que les atomes, les photons ou les électrons uniques, mais restent difficiles à appréhender pour les objets plus lourds du monde de la physique classique», explique Gary Steele, coordinateur du projet QOM3D, qui a été financé par le Conseil européen de la recherche. La conception de la puce à membrane «retournée» de QOM3D, un oscillateur capable d’explorer les effets gravitationnels, a atteint un facteur de qualité ultra-élevé de 60 millions. L’équipe a également mis au point de nouvelles techniques visant à utiliser des qubits supraconducteurs, ou bits quantiques, afin de refroidir et créer des états quantiques dans le domaine des radiofréquences.
Le mouvement brownien
L’agitation thermique des particules, ou mouvement brownien, explique le fait que notre monde soit chaud. En effet, tous les objets vibrent, notamment les objets mécaniques, car les molécules d’air sont sans cesse en train de rebondir sur eux. Ces mouvements peuvent être décelés à l’aide d’outils optomécaniques sensibles, même lorsque l’objet ciblé est refroidi à 10 millikelvins au-dessus du zéro absolu (-273,16 °C, ou 0 K), ce qui correspond à ce qu’on appelle l’«état fondamental». Selon les règles de la physique classique, le mouvement brownien est censé s’arrêter à 0 K. Mais l’une des prédictions les plus spectaculaires de la mécanique quantique suggère que même dans ces conditions, les choses continuent à vibrer, en raison du «bruit quantique». L’un des objectifs du projet QOM3D consistait à en apporter la preuve.
Combler le fossé fréquentiel
Les oscillateurs utilisés dans le cadre de QOM3D étaient de minuscules tambours mécaniques vibrants constitués d’une membrane fermement tendue. Une couche de métal a été appliquée sur le tambour, avant que celui-ci ne soit placé à l’envers sur une autre puce. Placé dans un dispositif spécial appelé cavité résonante, ce circuit LC supraconducteur peut être couplé aux vibrations mécaniques du tambour, ce qui permet à la cavité de capter les signaux micro-ondes émis par le circuit LC. Ce couplage permettra aux chercheurs d’utiliser les signaux micro-ondes pour détecter et, au bout du compte, contrôler les vibrations du tambour au niveau quantique. Pour le contrôle des états quantiques, QOM3D a expérimenté la technologie des qubits supraconducteurs développée pour l’informatique quantique. «Notre conception audacieuse ne ressemblait en rien aux qubits habituels, mais nous avons obtenu des résultats spectaculaires», ajoute Gary Steele. Avant de pouvoir contrôler un dispositif mécanique au niveau quantique, il fallait d’abord surmonter un défi de taille, lié à un phénomène connu sous le nom de «fossé fréquentiel». Comme les qubits fonctionnent à des fréquences électromagnétiques de l’ordre du gigahertz (GHz) et le tambour mécanique à des fréquences radio de l’ordre du mégahertz (MHz), il convient d’utiliser un pont entre les deux pour parvenir à les coupler. L’équipe a expérimenté le couplage de qubits GHz à des circuits électriques qui fonctionnent aux mêmes fréquences que les tambours, de l’ordre du MHz. Ils ont observé des fluctuations quantiques aux fréquences MHz et ont également été en mesure de refroidir les signaux MHz à leur état fondamental quantique et de programmer des états de superposition quantique dans les oscillations MHz, ce qui a mis en évidence l’existence du bruit quantique. «Le fort couplage entre les qubits et les dispositifs électriques MHz de notre dispositif de validation de principe s’avère prometteur pour relier, à l’avenir, les circuits quantiques et les dispositifs mécaniques», fait remarquer Gary Steele. «C’est intéressant pour toute une série d’applications, telles que la résonance magnétique nucléaire ou l’imagerie par résonance magnétique, ou pour des capteurs quantiques hypersensibles qui pourraient, par exemple, mesurer les champs gravitationnels quantiques.» Cette dernière possibilité ouvrirait la porte à l’exploration d’un problème fondamental lié à notre compréhension actuelle des lois de la nature: l’incompatibilité de la mécanique quantique avec la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui décrit la gravité.
Mots‑clés
QOM3D, quantique, résonateur mécanique, oscillateur, superposition, gravitation, puce, mouvement brownien, optomécanique, micro-ondes
