Photographie en vue oblique du dispositif entièrement emballé. La puce supérieure (mécanique) est fixée face à la puce inférieure (qubit) par un polymère adhésif. Crédit : Agnetta Cleland
Des chercheurs de l’Université de Stanford ont mis au point un dispositif expérimental clé pour les futures technologies basées sur la physique quantique, qui emprunte une page aux dispositifs mécaniques actuels et quotidiens.
Les dispositifs acoustiques utilisent le mouvement mécanique pour remplir des fonctions utiles. Ils sont fiables, petits, durables et efficaces. L’oscillateur mécanique est un excellent exemple de ce type de dispositif. Lorsqu’ils sont déplacés par une force – comme le son, par exemple – les composants du dispositif commencent à se déplacer d’avant en arrière autour de leur position initiale. La création de ce mouvement périodique est un moyen pratique de suivre le temps, de filtrer les signaux et de détecter les mouvements dans les appareils de tous les jours tels que les téléphones, les ordinateurs et les montres.
Les chercheurs ont tenté de transposer les avantages des systèmes mécaniques aux échelles extrêmement petites du mystérieux domaine quantique, où les atomes interagissent délicatement et se comportent de manière contre-intuitive. À cette fin, des chercheurs de Stanford dirigés par Amir Safavi-Naeini ont démontré de nouvelles capacités en couplant de minuscules oscillateurs nanomécaniques avec un type de circuit capable de stocker et de traiter l’énergie sous la forme d’un qubit, ou “bit” quantique d’information. En utilisant le qubit du dispositif, les chercheurs peuvent manipuler l’état quantique des oscillateurs mécaniques, générant ainsi le type d’effets mécaniques quantiques qui pourraient un jour permettre la mise en place de systèmes informatiques avancés et de systèmes de détection ultra-précis.
“Avec ce dispositif, nous avons montré une prochaine étape importante dans la construction d’ordinateurs quantiques et d’autres dispositifs quantiques utiles basés sur des systèmes mécaniques”, a déclaré Safavi-Naeini, professeur associé au département de physique appliquée de l’école des sciences humaines de Stanford. Safavi-Naeini est l’auteur principal d’une nouvelle étude publiée le 20 avril 2022 dans le journal Nature qui décrit les résultats. Nous cherchons essentiellement à construire des systèmes de “mécanique quantique”, a-t-il déclaré.
Des effets quantiques sur les puces d’ordinateur
Les deux premiers auteurs de l’étude, Alex Wollack et Agnetta Cleland, tous deux doctorants à Stanford, ont dirigé les efforts visant à développer ce nouveau matériel quantique basé sur la mécanique. Utilisant les installations partagées de Stanford Nano sur le campus, les chercheurs ont travaillé dans des salles blanches tout en portant les “combinaisons de lapin” blanches portées dans les usines de fabrication de semi-conducteurs afin d’empêcher les impuretés de contaminer les matériaux sensibles en jeu.
Avec un équipement spécialisé, Wollack et Cleland ont fabriqué des composants matériels à des résolutions de l’ordre du nanomètre sur deux puces d’ordinateur en silicium. Les chercheurs ont ensuite collé les deux puces ensemble de manière à ce que les composants de la puce inférieure soient en face de ceux de la puce supérieure, à la manière d’un sandwich.
Illustration conceptuelle d’un état de Bell, dans lequel une unité d’énergie vibratoire est partagée entre deux oscillateurs. Le système existe dans deux états possibles simultanément : le premier état quantique possible (entre parenthèses, à gauche du signe plus) montre l’oscillateur de droite qui vibre et l’oscillateur de gauche qui reste immobile. Le deuxième état possible montre que l’énergie vibratoire occupe l’oscillateur de gauche, l’oscillateur de droite étant immobile. Le dispositif existe dans une superposition des deux états possibles – ce qui signifie que chaque oscillateur est à la fois en mouvement et immobile – jusqu’à ce qu’il soit mesuré. Une mesure du système ne donnerait qu’un seul des deux résultats décrits (entre parenthèses) : Si l’on observe que l’oscillateur de gauche vibre, l’oscillateur de droite est nécessairement immobile, et vice versa. Cela illustre l’intrication entre les deux oscillateurs : En effectuant une mesure pour obtenir des informations sur le mouvement d’un seul oscillateur, un observateur pourrait également déterminer l’état de l’autre oscillateur, sans avoir besoin de le mesurer séparément. Crédit : Agnetta Cleland
Sur la puce inférieure, Wollack et Cleland ont façonné un circuit supraconducteur en aluminium qui constitue le qubit du dispositif. L’envoi d’impulsions micro-ondes dans ce circuit génère des photons (particules de lumière), qui codent un qubit d’information dans le dispositif. Contrairement aux dispositifs électriques classiques, qui stockent les bits sous forme de tensions représentant soit un 0, soit un 1, les qubits des dispositifs de mécanique quantique peuvent également représenter des combinaisons pondérées de 0 et de 1 simultanément. Cela est dû au phénomène de mécanique quantique connu sous le nom de superposition, selon lequel un système quantique existe dans plusieurs états quantiques à la fois.jusqu’à ce que le système soit mesuré.
“La façon dont la réalité fonctionne au niveau de la mécanique quantique est très différente de notre expérience macroscopique du monde”, a déclaré Safavi-Naeini.
La puce supérieure contient deux résonateurs nanomécaniques formés par des structures cristallines suspendues, semblables à des ponts, de quelques dizaines de nanomètres – ou milliardièmes de mètre – de long. Les cristaux sont faits de niobate de lithium, un matériau piézoélectrique. Les matériaux dotés de cette propriété peuvent convertir une force électrique en mouvement, ce qui, dans le cas de ce dispositif, signifie que le champ électrique véhiculé par le photon du qubit est converti en un quantum (ou une unité unique) d’énergie vibratoire appelé phonon.
“Tout comme les ondes lumineuses, qui sont quantifiées en photons, les ondes sonores sont quantifiées en ‘particules’ appelées phonons”, a déclaré Cleland, “et en combinant l’énergie de ces différentes formes dans notre dispositif, nous créons une technologie quantique hybride qui exploite les avantages des deux.”
La génération de ces phonons a permis à chaque oscillateur nanomécanique d’agir comme un registre, qui est le plus petit élément de stockage de données possible dans un ordinateur, et avec le qubit fournissant les données. Comme le qubit, les oscillateurs peuvent donc aussi être dans un état de superposition – ils peuvent être à la fois excités (représentant 1) et non excités (représentant 0). Le circuit supraconducteur a permis aux chercheurs de préparer, lire et modifier les données stockées dans les registres, de manière conceptuellement similaire au fonctionnement des ordinateurs conventionnels (non quantiques).
“Le rêve est de fabriquer un dispositif qui fonctionne de la même manière que les puces d’ordinateur en silicium, par exemple, dans votre téléphone ou sur une clé USB, où les registres stockent des bits”, a déclaré Safavi-Naeini. “Et bien que nous ne puissions pas encore stocker des bits quantiques sur une clé USB, nous montrons le même genre de chose avec des résonateurs mécaniques.”
Tirer parti de l’intrication
Au-delà de la superposition, la connexion entre les photons et les résonateurs dans le dispositif a permis de tirer parti d’un autre phénomène important de la mécanique quantique appelé intrication. Ce qui rend les états intriqués si contre-intuitifs, et aussi si difficiles à créer en laboratoire, c’est que l’information sur l’état du système est répartie entre plusieurs composants. Dans ces systèmes, il est possible de tout savoir sur deux particules ensemble, mais rien sur l’une des particules observées individuellement. Imaginez deux pièces de monnaie que l’on tire à pile ou face à deux endroits différents, et dont on observe qu’elles tombent sur pile ou face au hasard avec la même probabilité, mais lorsque l’on compare les mesures effectuées aux différents endroits, elles sont toujours corrélées, c’est-à-dire que si une pièce tombe sur pile, l’autre est sûre de tomber sur face.
La manipulation de qubits multiples, tous en superposition et enchevêtrés, est le coup double qui permet de calculer et de détecter dans les technologies quantiques recherchées. “Sans superposition et beaucoup d’intrication, vous ne pouvez pas construire un ordinateur quantique”, a déclaré Safavi-Naeini.
Pour démontrer ces effets quantiques dans l’expérience, les chercheurs de Stanford ont généré un seul qubit, stocké sous forme de photon dans le circuit de la puce inférieure. Le circuit a ensuite été autorisé à échanger de l’énergie avec l’un des oscillateurs mécaniques de la puce supérieure avant de transférer les informations restantes au second dispositif mécanique. En échangeant de l’énergie de cette manière – d’abord avec un oscillateur mécanique, puis avec le second oscillateur – les chercheurs ont utilisé le circuit comme un outil permettant d’enchevêtrer les deux résonateurs mécaniques l’un dans l’autre par la mécanique quantique.
“L’étrangeté de la mécanique quantique est ici pleinement exposée”, a déclaré Wollack. “Non seulement le son se présente sous forme d’unités discrètes, mais une seule particule de son peut être partagée entre les deux objets macroscopiques intriqués, chacun avec des trillions d’atomes se déplaçant – ou non – de concert.”
Pour pouvoir éventuellement effectuer des calculs pratiques, la période d’intrication soutenue, ou de cohérence, devrait être nettement plus longue – de l’ordre de quelques secondes au lieu des fractions de secondes obtenues jusqu’à présent. La superposition et l’intrication sont deux conditions extrêmement délicates, vulnérables à la moindre perturbation sous forme de chaleur ou d’autre énergie, et confèrent donc aux dispositifs de détection quantique proposés une sensibilité exquise. Mais Safavi-Naeini et ses co-auteurs pensent que des temps de cohérence plus longs peuvent être facilement atteints en affinant les processus de fabrication et en optimisant les matériaux impliqués.
“Nous avons amélioré les performances de notre système au cours des quatre dernières années de près de 10 fois chaque année”, a déclaré Safavi-Naeini. “À l’avenir, nous continuerons à prendre des mesures concrètes pour concevoir des dispositifs de mécanique quantique, tels que des ordinateurs et des capteurs, et pour apporter des solutions aux problèmes de santé publique.les avantages des systèmes mécaniques dans le domaine quantique.”
Référence : “Quantum state preparation and tomography of entangled mechanical resonators” par E. Alex Wollack, Agnetta Y. Cleland, Rachel G. Gruenke, Zhaoyou Wang, Patricio Arrangoiz-Arriola et Amir H. Safavi-Naeini, 20 avril 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04500-y
Les autres co-auteurs de l’article sont Rachel G. Gruenke, Zhaoyou Wang et Patricio Arrangoiz-Arriola du département de physique appliquée de l’école des sciences humaines de Stanford.
Cette recherche a été financée par les bourses David et Lucile Packard, Stanford Graduate et Sloan. Ces travaux ont été financés par Amazon Inc, l’Office of Naval Research des États-Unis, le ministère de l’Énergie des États-Unis, la National Science Foundation, l’Army Research Office et NTT Research.
