Les chercheurs « divisent » les phonons en vue d’un nouveau type d’ordinateur quantique

8 juin 2023

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par l'Université de Chicago

Lorsque nous écoutons notre chanson préférée, ce qui ressemble à une onde continue de musique est en réalité transmise sous forme de minuscules paquets de particules quantiques appelés phonons.

Les lois de la mécanique quantique stipulent que les particules quantiques sont fondamentalement indivisibles et ne peuvent donc pas être divisées, mais des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago étudient ce qui se passe lorsque l'on tente de diviser un phonon.

Dans deux expériences, les premières du genre, une équipe dirigée par le professeur Andrew Cleland a utilisé un dispositif appelé séparateur de faisceau acoustique pour « diviser » les phonons et démontrer ainsi leurs propriétés quantiques. En montrant que le séparateur de faisceau peut être utilisé à la fois pour induire un état de superposition quantique spécial pour un phonon et pour créer davantage d'interférences entre deux phonons, l'équipe de recherche a franchi les premières étapes cruciales vers la création d'un nouveau type d'ordinateur quantique.

Les résultats sont publiés dans la revue Science et s'appuient sur des années de travaux révolutionnaires sur les phonons menés par l'équipe de Pritzker Molecular Engineering.

Dans ces expériences, les chercheurs ont utilisé des phonons dont la tonalité est environ un million de fois plus élevée que celle pouvant être entendue par l'oreille humaine. Auparavant, Cleland et son équipe avaient découvert comment créer et détecter des phonons uniques et avaient été les premiers à intriguer deux phonons.

Pour démontrer les capacités quantiques de ces phonons, l'équipe, y compris Hong Qiao, étudiant diplômé de Cleland, a créé un séparateur de faisceau capable de diviser un faisceau de son en deux, en transmettant la moitié et en réfléchissant l'autre moitié vers sa source (les séparateurs de faisceau existent déjà pour la lumière et ont été utilisé pour démontrer les capacités quantiques des photons). L'ensemble du système, comprenant deux qubits pour générer et détecter les phonons, fonctionne à des températures extrêmement basses et utilise des phonons d'ondes acoustiques de surface individuels, qui se déplacent à la surface d'un matériau, en l'occurrence le niobate de lithium.

Cependant, la physique quantique affirme qu’un seul phonon est indivisible. Ainsi, lorsque l’équipe a envoyé un seul phonon au séparateur de faisceau, au lieu de le diviser, il est entré dans une superposition quantique, un état dans lequel le phonon est à la fois réfléchi et transmis. L'observation (la mesure) du phonon provoque l'effondrement de cet état quantique dans l'une des deux sorties.

L’équipe a trouvé un moyen de maintenir cet état de superposition en capturant le phonon en deux qubits. Un qubit est l’unité d’information de base en informatique quantique. Un seul qubit capture réellement le phonon, mais les chercheurs ne peuvent pas déterminer quel qubit avant la mesure. En d’autres termes, la superposition quantique est transférée du phonon aux deux qubits. Les chercheurs ont mesuré cette superposition de deux qubits, fournissant « une preuve de référence que le séparateur de faisceau crée un état quantique intriqué », a déclaré Cleland.

Dans la deuxième expérience, l’équipe souhaitait montrer un effet quantique fondamental supplémentaire qui avait été démontré pour la première fois avec les photons dans les années 1980. Maintenant connu sous le nom d'effet Hong-Ou-Mandel, lorsque deux photons identiques sont envoyés simultanément dans des directions opposées dans un séparateur de faisceau, les sorties superposées interfèrent de sorte que les deux photons voyagent toujours ensemble, dans l'une ou l'autre direction de sortie.

Il est important de noter que la même chose s'est produite lorsque l'équipe a réalisé l'expérience avec les phonons : la sortie superposée signifie qu'un seul des deux qubits du détecteur capture les phonons, dans un sens mais pas dans l'autre. Bien que les qubits n'aient la capacité de capturer qu'un seul phonon à la fois, et non deux, le qubit placé dans la direction opposée n'« entend » jamais un phonon, ce qui prouve que les deux phonons vont dans la même direction. Ce phénomène est appelé interférence à deux phonons.