Schéma des états mécaniques non classiques d’une combinaison résonateur-qubit. Un qubit transmon se couple de manière capacitive aux modes mécaniques acoustiques d’une plaque de saphir séparée, dont l’un est représenté par une série d’antinodes bleus et rouges. De cette interaction naissent les états mécaniques non classiques. Trois vignettes reproduisent les fonctions de Wigner de i) un état de vibration comprimé, ii) un état de vibration non gaussien et iii) un état de vibration non gaussien avec de grandes valeurs négatives de la fonction de Wigner, caractéristiques d’une forte non-classicité. Crédit : Adapté de la référence 7, Springer Nature Ltd. Vignettes reproduites à partir de la référence 1, Springer Nature Ltd.
Les systèmes mécaniques sont particulièrement adaptés à la réalisation d’applications telles que le traitement de l’information quantique, la détection quantique et la simulation quantique bosonique. L’utilisation efficace de ces systèmes pour ces applications repose toutefois sur la capacité à les manipuler de manière unique, notamment en « comprimant » leurs états et en introduisant des effets non linéaires dans le régime quantique.
Une équipe de recherche de l’ETH Zurich dirigée par le Dr Matteo Fadel a récemment présenté une nouvelle approche pour réaliser une compression quantique dans un oscillateur mécanique non linéaire. Cette approche, décrite dans un article publié dans Physique de la naturepourrait avoir des implications intéressantes pour le développement de la métrologie quantique et des technologies de détection.
« Au départ, notre objectif était de préparer un état mécanique comprimé, à savoir un état de mouvement quantique avec des fluctuations quantiques réduites le long d’une direction de l’espace des phases », a déclaré Fadel à Phys.org. « De tels états sont importants pour les applications de détection et de simulation quantiques. Ils constituent l’une des portes de l’ensemble de portes universelles pour l’informatique quantique avec des systèmes à variables continues, c’est-à-dire des degrés de liberté mécaniques, des champs électromagnétiques, etc., par opposition aux qubits qui sont des systèmes à variables discrètes. »
En effectuant leurs expériences et en essayant d’obtenir une quantité croissante de compression, Fadel et ses collègues ont réalisé qu’au-delà d’un certain seuil, l’état mécanique devenait plus que simplement plus étroit (c’est-à-dire plus comprimé) et plus allongé. De plus, ils ont constaté que l’état commençait à se tordre/tourner sur lui-même, suivant un motif en forme de « S » ou même de « 8 ».
« Nous ne nous attendions pas à cela, car la préparation d’états non gaussiens nécessite des non-linéarités importantes dans l’oscillateur mécanique, nous avons donc été assez surpris, mais bien sûr aussi excités », explique Fadel.
« Les non-linéarités mécaniques typiques sont extrêmement faibles et les couplages typiques entre les oscillateurs mécaniques et les champs lumineux/micro-ondes sont également linéaires. Cependant, il était facile de réaliser que dans notre dispositif, le résonateur héritait d’une partie de la non-linéarité du qubit auquel il était couplé. »
Les chercheurs ont découvert que les non-linéarités héritées du résonateur étaient assez fortes, ce qui a donné lieu à l’effet fascinant qu’ils ont observé. Dans leur article récent, ils ont présenté cette nouvelle approche pour réaliser la compression quantique dans ce système mécanique non linéaire.
Le système utilisé dans les expériences de l’équipe est constitué d’un qubit supraconducteur couplé à un résonateur mécanique via un disque en matériau piézoélectrique. Le couplage entre ces deux systèmes se traduit par la non-linéarité effective du résonateur.
« Lorsqu’un entraînement à deux tons est appliqué au système aux fréquences correctes, f1+f2=2*fm (où f1 et f2 sont les fréquences d’entraînement à deux tons et fm la fréquence du mode mécanique), un processus paramétrique a lieu : deux photons micro-ondes à des fréquences f1 et f2 des disques sont convertis en une paire de phonons à la fréquence fm des mécaniciens”, a déclaré Fadel.
« C’est très similaire à un processus de conversion paramétrique en optique, où les champs lumineux sont envoyés à un cristal non linéaire qui génère une compression d’une manière similaire à celle que j’ai décrite. »
La nouvelle approche de compression mécanique introduite par cette équipe de chercheurs pourrait bientôt ouvrir de nouvelles perspectives pour la recherche et le développement de dispositifs quantiques. Dans leurs expériences, Fadel et ses collègues ont également utilisé leur approche pour démontrer la préparation d’états de mouvement non gaussiens et ont confirmé que leur résonateur mécanique présente une non-linéarité réglable.
« Notamment, la non-linéarité que nous avons observée dans notre résonateur est réglable, car elle dépend de la différence entre les fréquences du qubit et du résonateur, qui peut être contrôlée dans l’expérience », a déclaré Fadel.
« La réalisation d’états comprimés a des applications importantes pour la métrologie quantique et pour le traitement de l’information quantique utilisant des variables continues. Les états non gaussiens peuvent également être utilisés comme ressource pour les tâches d’information quantique et pour les recherches fondamentales sur la mécanique quantique. »
Dans ses études futures, Fadel espère étudier plus en détail la possibilité de réaliser un simulateur quantique mécanique basé sur l’approche présentée dans cet article récent. Plus précisément, ce simulateur pourrait exploiter la possibilité d’adresser et de contrôler indépendamment des dizaines de modes bosoniques dans les résonateurs acoustiques de l’équipe.
« Nos dispositifs pourraient également trouver des applications intéressantes dans la détection quantique des forces, des ondes gravitationnelles et même dans les tests de physique fondamentale », a ajouté Fadel. « Récemment, nous avons montré dans un travail de suivi que la non-linéarité mécanique peut être si forte qu’elle nous permet de réaliser un qubit mécanique. »
Plus d’information:
Stefano Marti et al, Compression quantique dans un oscillateur mécanique non linéaire, Physique de la nature (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02545-6
© 2024 Réseau Science X
Citation:Une nouvelle approche pour réaliser la compression mécanique quantique (2024, 8 juillet) récupéré le 8 juillet 2024 à partir de
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