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A la frontière du classique et du quantique : les états cohérents

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Des chercheurs de l'institut des nanosciences de l'Université de Santa Barbara (California Nanosystems Institute) sont parvenus à contrôler en détails la création d'états à petit nombre de photons baptisés états de Fock. Ils s'en sont servis pour créer et analyser les états cohérents, des états à la frontière des mondes classique et quantique.

Max Hofheinz l'un des auteurs du travail publié dans Nature. Crédit : UC Santa Barbara

Les états cohérents sont des états quantiques d'oscillateurs harmoniques, décrits théoriquement une première fois par Erwin Schrödinger en 1926, lorsqu'il avait publié ses célèbres articles sur la mécanique ondulatoire. Ces états ont la particularité de ressembler étroitement à ceux d'un oscillateur classique et, pendant un moment, Schrödinger y voyait une indication de la possibilité de représenter des particules classiques bien localisées par des ondes de matières concentrées en paquets d'ondes stables. Cet espoir se révéla vain, mais de tels états sont aujourd'hui couramment considérés, notamment en ce qui concerne les états cohérents comprimés.

Dans le cas d'un champ électromagnétique, on peut justement le représenter par une collection d'oscillateurs harmoniques quantiques. Ce n'est pas difficile à comprendre, puisqu'une petite boule chargée en tout point de l'espace va osciller au passage d'une onde électromagnétique, comme un poids suspendu à un ressort. Un seul photon correspondra à un état excité d'un de ces oscillateurs et différents états d'oscillateurs correspondant à la présence de plusieurs photons sont décrits par ce qu'on appelle un état de Fock. Les états cohérents sont des combinaisons particulières d'états de Fock élémentaires.

Le circuit supraconducteur utilisé par les chercheurs. Cliquez pour agrandir. Crédit : Erik Lucero UC Santa Barbara

En utilisant un circuit électronique supraconducteur capable de simuler un atome artificiel avec deux états d'énergie pour créer un qubit, des physiciens du groupe de recherche dirigé par John Martinis sont parvenus à contrôler la création de photons un à un dans des états de Fock. En se servant de ce dispositif, ils ont pompé 6 photons dans une cavité résonnante supraconductrice. Inversement, grâce à ce dispositif, un état cohérent présent dans la cavité, et qui semblait donc classique en première approximation, a pu être finement analysé et le caractère essentiellement discret de ce dernier, c'est-à-dire composé d'une somme discrète d'états de Fock, a été observé.

Ce genre d'expérience, à la frontière du classique et du quantique, qui intervient souvent lorsque l'on considère un grand nombre de quanta, conformément au principe de correspondance de Bohr faisant intervenir des grands nombres quantiques, nous donne des informations sur la façon de s'y prendre pour créer des ordinateurs quantiques d'après les chercheurs. Ils exposent leurs travaux dans une publication du 17 Juillet de Nature.

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