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Atteindre le mouvement quantique du point zéro
Dans l'article "Laser Cooling of a Nanomechanical Oscillator to Its Zero-Point Energy", qui vient d'être publié dans la revue à comité de lecture Physical Review Letters, et sélectionné comme suggestion de la rédaction, des scientifiques de l'EPFL et d'IBM Research Europe font état d'expériences dans lesquelles les vibrations mécaniques sont réduites près de la limite ultime donnée par les lois de la mécanique quantique. Ce travail représente une percée dans la manipulation d'un dispositif mécanique avec la lumière. Il ouvre la porte à une multitude d'applications en science quantique qui pourraient avoir un impact significatif sur des domaines aussi divers que l'informatique et la détection.
Les progrès réalisés dans la capacité à contrôler et à manipuler des systèmes physiques sous-tendent souvent un bond en avant technologique. Pour les technologies quantiques émergentes, telles que les ordinateurs ou les capteurs quantiques - des dispositifs qui exploitent la "bizarrerie" de la mécanique quantique pour réaliser des prouesses impossibles par les moyens classiques - un aspect crucial de ce contrôle est l'initialisation du système dans son état fondamental, où l'énergie est réduite à l'énergie dite du point zéro et où tout bruit environnemental antérieur est supprimé.
Les oscillateurs mécaniques sont relativement nouveaux dans l'arène quantique. Malgré leur taille, même les objets vibrants macroscopiques peuvent présenter des effets quantiques, à condition qu'ils puissent être suffisamment isolés de l'environnement bruyant et qu'ils puissent être refroidis à proximité de leur état fondamental. De tels systèmes mécaniques sont des alternatives prometteuses pour fournir des fonctionnalités importantes, par exemple pour le stockage d'informations quantiques et pour la détection de forces minuscules. Par conséquent, beaucoup d'efforts ont été faits ces dernières années pour développer de meilleures méthodes de refroidissement des systèmes mécaniques. L'approche la plus efficace a été de manipuler les vibrations en exerçant une pression de radiation avec un laser, c'est-à-dire en appliquant de minuscules coups de pied de photons qui peuvent interagir avec l'oscillateur.
Illustration du cristal optomécanique utilisé dans l'expérience. Le mode optique confiné utilisé pour refroidir l'oscillateur est représenté par une lueur au centre.
Les scientifiques de l'EPFL et d'IBM Research Europe ont démontré le refroidissement par laser d'un mode vibrationnel de l'ordre du gigahertz dans un nanopoutre de silicium à un niveau d'occupation de l'état du sol de 92 %, soit plus que ce qui avait été obtenu auparavant avec de telles techniques avec tout autre système mécanique. Le dispositif de nanopoutre de silicium, connu dans la communauté sous le nom de cristal optomécanique, est fabriqué sur une puce et compatible avec d'autres technologies quantiques telles que les circuits supraconducteurs. Il est soigneusement conçu pour accueillir un mode optique localisé de longue durée de vie qui chevauche le mode vibrationnel (voir figure). La lumière laser injectée dans la nanopoutre entraîne donc un refroidissement.
Il est important de noter que pour vérifier la faible température effective de la vibration, les chercheurs ont utilisé la "thermométrie quantique" - une technique qui exploite le fait que la capacité de l'oscillateur à émettre de la lumière diminue lorsqu'il s'approche de l'état de base, contrairement à sa capacité à absorber la lumière. Cela permet un étalonnage sans équivoque de l'état thermique en utilisant les seules lois de la mécanique quantique, et élimine la nécessité d'un étalonnage externe de la température, qui peut être problématique lorsqu'une grande précision locale est nécessaire.
Bien qu'une occupation élevée de l'état du sol ait été obtenue auparavant dans les systèmes qui fonctionnent aux longueurs d'onde des micro-ondes et dans les systèmes optiques en réduisant simplement la température de l'environnement à des températures extrêmement basses en milli-Kelvin, un avantage distinctif de l'expérience de l'EPFL et d'IBM est que l'oscillateur mécanique peut être fortement interrogé par des moyens optiques. Les résultats annoncent donc un nouveau niveau de contrôle du mouvement mécanique dans le régime quantique et ouvrent la porte à une foule d'expériences quantiques, telles que la génération d'états quantiques mécaniques non triviaux ainsi que la transduction efficace d'informations quantiques entre les photons optiques et les qubits supraconducteurs.
Les échantillons ont été fabriqués au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l'EPFL et au Centre de Nanotechnologie Binning et Rohrer d'IBM Reseach Europe.
Horizon 2020 de l'UE
Liu Qiu, Itay Shomroni, Paul Seidler, Tobias J. Kippenberg. Laser cooling of a nanomechanical oscillator to the zero-point energy. Physical Review Letters 29 April 2020. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.173601