Vers un ordinateur quantique basé sur le son ?

Dans un microphone classique, les ondes sonores font vibrer une membrane. Le déplacement physique de cette dernière est alors converti en une tension mesurable. Mais, en vertu du principe d'incertitude d'Einsenberg -- qui dit que la position d'un objet quantique ne peut pas être déterminée avec précision sans la modifier --, la méthode ne peut pas s'appliquer à la détection de phonons individuels. Pourtant des chercheurs de Stanford (États-Unis) annoncent aujourd'hui avoir mis au point une sorte de « microphone quantique » tellement sensible qu'il est capable de compter des phonons.

Rappelons avant tout que les phonons sont les quasi-particules qui supportent l'énergie vibratoire qui s'échange entre les atomes. Ils sont porteurs d'une énergie qui se manifeste sous forme de chaleurchaleur ou de son. Une énergie quantifiée. Comprenez que cette énergie se limite à des valeurs discrètes bien précises. Un peu comme les marches d'un escalierescalier qui sont fixées à la conception de l'ouvrage.

Ce qui rend difficile aux physiciensphysiciens la détection de phonons individuels, c'est que les différences d’énergies entre leurs états sont faibles. En d'autres mots, l'espacement entre les marches de l'escalier est extrêmement réduit. « Un phonon correspond à une énergie dix mille milliards de fois inférieure à celle nécessaire à garder une ampoule allumée pendant une seconde », illustre Patricio Arrangoiz-Arriola, chercheur à Stanford. Ainsi, le simple fait d'essayer de mesurer un nombre de phonons avec un micro ordinaire, injecte dans le système, une énergie suffisante à masquer celle que les physiciens essaient de mesurer.

Sur cette vue d’artiste, on découvre un ensemble de résonateurs nanomécaniques conçus pour générer et piéger des phonons. Les mouvements de ces derniers sont détectés par un qubit dont la fréquence varie en fonction du nombre de phonons dans le résonateur. Les nombres de phonons sont traduits par des pics de tailles distinctes dans le spectre du qubit. © Wentao Jiang, Stanford University

Mesurer l’énergie des phonons

Alors les chercheurs de Stanford ont emprunté un chemin détourné. Ils ont mis au point un système capable de mesurer les états de Fock dans les ondes sonores. Car l'énergie d'un système mécanique peut être représentée sous différents états de Fock en fonction du nombre de phonons qu'il génère. Ainsi une mesure des états de Fock donne accès au nombre de phonons. Et comme rien n'empêche de déterminer l'énergie avec une précision infinie...

Une série de résonateurs nanomécaniques. C'est ce qui compose finalement le micro quantique mis au point à Stanford. Des résonateurs couplés à un circuit supraconducteursupraconducteur qui forme un bit quantique -- ou qubitqubit -- susceptible d'exister dans deux états à la fois et possédant sa fréquencefréquence propre. Lorsque les résonateurs vibrent, ils génèrent des phonons dans différents états. Et la structure périodique de ces résonateurs agit comme des miroirsmiroirs pour le son. « En introduisant un défaut dans ces réseaux, nous piégeons les phonons au milieu des structures », explique Patricio Arrangoiz-Arriola. Ces phonons induisent des vibrationsvibrations qui sont transmises au qubit par des fils ultraminces. Avec une sensibilité d'autant plus importante que les fréquences du qubit et des résonateurs sont proches.

Mais en désaccordant qubit et résonateurs, les physiciens ont déclenché une interaction quantique dispersive qui relie directement le qubit aux phonons. La fréquence du qubit va en effet connaître un décalage proportionnel au nombre de phonons présents dans les résonateurs. « Les niveaux d'énergie des phonons apparaissent sous forme de pics dans le spectrespectre du qubit. C'est la première fois que nous sommes en mesure de les voir », remarque Amir Safavi-Naeini, physicien à Stanford.