Image au microscope optique du résonateur acoustique vu d’en haut (deux disques plus grands, dont l’intérieur est le transducteur piézoélectrique) et de l’antenne connectée au qubit supraconducteur (structure blanche). Crédit : Adapté de von Lüpke et al. Nat. Phys. DOI : 10.1038/s41567-022-01591-2 (2022)
Un nouveau travail expérimental établit comment les propriétés quantiques des systèmes mécaniques quantiques peuvent être mesurées sans détruire l’état quantique.
Les systèmes dans lesquels le mouvement mécanique est contrôlé au niveau des quanta individuels apparaissent comme une plateforme prometteuse de technologie quantique. De nouveaux travaux expérimentaux établissent maintenant comment les propriétés quantiques de tels systèmes peuvent être mesurées sans détruire l’état quantique – un ingrédient clé pour exploiter le plein potentiel des systèmes mécaniques quantiques.
Lorsque l’on pense aux systèmes mécaniques quantiques, on peut penser à des photons uniques, à des ions et des atomes bien isolés ou à des électrons se propageant dans un cristal. Plus exotiques dans le contexte de la mécanique quantique sont les systèmes quantiques véritablement mécaniques, c’est-à-dire les objets massifs dans lesquels le mouvement mécanique, comme la vibration, est quantifié.
Dans une série d’expériences séminales, des caractéristiques de la mécanique quantique ont été observées dans des systèmes mécaniques, notamment la quantification de l’énergie et l’intrication. Cependant, en vue d’utiliser ces systèmes dans des études fondamentales et des applications technologiques, l’observation des propriétés quantiques n’est qu’une première étape. La prochaine étape consiste à maîtriser la manipulation des objets mécaniques quantiques, afin de pouvoir contrôler, mesurer et finalement exploiter leurs états quantiques dans des structures de type dispositif.
Le groupe de Yiwen Chu, du Laboratoire de physique des solides de l’ETH Zurich, a fait des progrès importants dans cette direction. Dans un article publié dans le journal Nature Physicsils rapportent l’extraction d’informations d’un système mécanique quantique sans détruire le précieux état quantique. Cette avancée ouvre la voie à des applications telles que la correction quantique des erreurs, et au-delà.
Mécanique quantique massive
Les physiciens de l’ETH utilisent une plaque de saphir de haute qualité, d’un peu moins d’un demi-millimètre d’épaisseur, comme système mécanique. Sur sa face supérieure se trouve un fin transducteur piézoélectrique capable d’exciter des ondes acoustiques, qui sont réfléchies par la face inférieure et s’étendent ainsi sur un volume bien défini à l’intérieur de la dalle. Ces excitations sont le mouvement collectif d’un grand nombre d’atomes, mais elles sont quantifiées (en unités d’énergie appelées phonons) et peuvent être soumises, en principe du moins, à des opérations quantiques de la même manière que les états quantiques des atomes, des photons et des électrons.
Il est intriguant de constater qu’il est possible d’interfacer le résonateur mécanique avec d’autres systèmes quantiques, et en particulier avec des qubits supraconducteurs. Ces derniers sont de minuscules circuits électroniques dans lesquels les états d’énergie électromagnétique sont quantifiés, et ils constituent actuellement l’une des principales plateformes pour la construction d’ordinateurs quantiques évolutifs. Les champs électromagnétiques associés au circuit supraconducteur permettent le couplage du qubit au transducteur piézoélectrique du résonateur acoustique, et donc à ses états quantiques mécaniques.
Photographie du dispositif hybride à puce retournée, avec la puce du résonateur acoustique au-dessus de la puce du qubit supraconducteur. La puce inférieure mesure 7 mm de long. Crédit : Adapté de von Lüpke et al. Nat. Phys. DOI : 10.1038/s41567-022-01591-2 (2022)
Dans ces dispositifs hybrides qubit-résonateur, le meilleur des deux mondes peut être combiné. Plus précisément, les capacités de calcul très développées des qubits supraconducteurs peuvent être utilisées en synchronisation avec la robustesse et la longue durée de vie des modes acoustiques, qui peuvent servir de mémoires ou de transducteurs quantiques. Pour de telles applications, cependant, le simple couplage des états du qubit et du résonateur ne suffira pas. Par exemple, une mesure directe de l’état quantique dans le résonateur le détruit, rendant impossible la répétition des mesures. Ce qu’il faut plutôt, c’est la capacité d’extraire des informations sur l’état quantique mécanique d’une manière plus douce et bien contrôlée.
La voie non-destructive
Les doctorants de Chu, Uwe von Lüpke, Yu Yang et Marius Bild, en collaboration avec Matteo Fadel, boursier Branco Weiss, et avec le soutien de Laurent Michaud, étudiant du projet semestriel, ont réussi à démontrer un protocole pour de telles mesures de non-démolition quantique. Dans leurs expériences, il n’y a pas d’échange direct d’énergie entre le qubit supraconducteur et l’onde acoustique.pendant la mesure. Au lieu de cela, les propriétés du qubit dépendent du nombre de phonons dans le résonateur acoustique, sans qu’il soit nécessaire de “toucher” directement l’état mécanique quantique – pensez au thérémine, l’instrument de musique dont la hauteur dépend de la position de la main du musicien, sans contact physique avec l’instrument.
La création d’un système hybride dans lequel l’état du résonateur se reflète dans le spectre du qubit est un véritable défi. Il existe des exigences strictes quant à la durée pendant laquelle les états quantiques peuvent être maintenus à la fois dans le qubit et dans le résonateur, avant qu’ils ne disparaissent en raison d’imperfections et de perturbations extérieures. La tâche de l’équipe était donc de pousser les durées de vie des états quantiques du qubit et du résonateur. Ils y sont parvenus en apportant une série d’améliorations, notamment en choisissant soigneusement le type de qubit supraconducteur utilisé et en encapsulant le dispositif hybride dans une cavité supraconductrice en aluminium pour assurer un blindage électromagnétique étanche.
L’information quantique sur la base du besoin d’en connaître
Après avoir réussi à faire passer leur système dans le régime opérationnel souhaité (connu sous le nom de “régime fortement dispersif”), l’équipe a pu extraire en douceur la distribution du nombre de phonons dans leur résonateur acoustique après l’avoir excité avec différentes amplitudes. En outre, elle a démontré qu’il était possible de déterminer en une seule mesure si le nombre de phonons dans le résonateur est pair ou impair – une mesure dite de parité – sans rien apprendre d’autre sur la distribution des phonons. Obtenir cette information très spécifique, mais aucune autre, est crucial dans un certain nombre d’applications de la technologie quantique. Par exemple, un changement de parité (une transition d’un nombre impair à un nombre pair ou à un nombre de phonons) peut avoir un impact sur la distribution des phonons. vice versa) peut signaler qu’une erreur a affecté l’état quantique et qu’une correction est nécessaire. Dans ce cas, il est bien sûr essentiel que l’état à corriger ne soit pas détruit.
Toutefois, avant de pouvoir mettre en œuvre de tels systèmes de correction d’erreurs, il est nécessaire de perfectionner le système hybride, notamment pour améliorer la fidélité des opérations. Mais la correction d’erreurs quantique n’est de loin pas la seule utilisation à l’horizon. La littérature scientifique regorge de propositions théoriques passionnantes pour les protocoles d’information quantique ainsi que pour les études fondamentales qui tirent parti du fait que les états quantiques acoustiques résident dans des objets massifs. Celles-ci offrent, par exemple, des possibilités uniques d’explorer la portée de la mécanique quantique dans la limite des grands systèmes et d’exploiter les systèmes mécaniques quantiques comme capteur.
Références :
“Parity measurement in the strong dispersive regime of circuit quantum acoustodynamics” par Uwe von Lüpke, Yu Yang, Marius Bild, Laurent Michaud, Matteo Fadel et Yiwen Chu, 12 mai 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01591-2
“De bonnes vibrations pour quantum computing” by Amy Navarathna and Warwick P. Bowen, 12 May 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01613-z
