Première : des physiciens de Stanford observent un saut quantique du son

Une équipe de physiciens de Stanford a réalisé la première observation directe d'un saut quantique du son, capturant l'instant précis où une unité élémentaire de vibration, appelée phonon, est passée d'un niveau d'énergie à un autre au sein d'une micro-barre de cristal. Publiés dans la revue Science, ces travaux couronnent des recherches entamées il y a plus d'un siècle et ouvrent de nouvelles perspectives pour l'informatique et les capteurs quantiques.science

Une prédiction centenaire enfin confirmée pour le son

Les sauts quantiques, ces transitions soudaines et discrètes entre différents états d'énergie, ont été théorisés pour la première fois au début du XXe siècle. Les scientifiques les ont mis en évidence dans des ions piégés en 1986, puis dans des photons en 2007, mais le son restait jusqu'ici hors de portée. L'équipe de Stanford, dirigée par Amir Safavi-Naeini, professeur associé de physique appliquée, a conçu un résonateur mécanique microscopique en cristal de niobate de lithium couplé à un qubit supraconducteur capable de mesurer l'état d'énergie du phonon des centaines de fois en l'espace de deux millisecondes.humsci.stanford

« Ce que montre cette étude va nous permettre de progresser dans le développement de nouvelles technologies quantiques basées sur le son », a déclaré Amir Safavi-Naeini. « Nous avons constaté que des objets en vibration peuvent présenter un comportement quantique, ce qui est la condition préalable à de nombreuses opérations requises par l'informatique et les capteurs quantiques. »humsci.stanford

Le résonateur vibre pendant environ 2.1 millisecondes, une durée suffisante, souligne l'équipe, pour qu'un diapason de taille normale doté de la même propriété résonne pendant des heures. Les co-premiers auteurs de l'étude, Takuma Makihara et Erik Szakiel, ont mis au point une méthode de fabrication permettant de placer la barre de cristal à seulement 75 nanomètres au-dessus d'un circuit supraconducteur, une distance assez proche pour lire l'état du phonon sans le détruire. « Nous avons dû constamment développer de nouveaux procédés pour fabriquer cet objet vibrant à la durée de vie extrêmement longue, puis l'intégrer au qubit, qui est notre petit détecteur électrique, sans pour autant endommager l'un ou l'autre de ces sous-systèmes », a expliqué Takuma Makihara.earth+1

De l'observation à la correction d'erreurs

Les enjeux pratiques sont immédiats. Dans de nombreuses architectures d'ordinateurs quantiques, un saut quantique représente une erreur : une perte d'information en plein milieu d'un calcul. Détecter le moment où ces erreurs surviennent est un obstacle persistant dans ce domaine. Le dispositif de Stanford permet non seulement de repérer cette perte, mais il laisse également l'état quantique restant intact, une condition indispensable à la correction d'erreurs en temps réel.earth+1

L'équipe applique déjà cette plateforme au-delà de l'informatique. En collaboration avec le groupe du physicien Michael Roukes à Caltech, les chercheurs utilisent le résonateur pour tenter de détecter et d'identifier des protéines au sein des cellules. « Cela montre que nous pouvons contrôler le son de manière extrêmement précise, ce qui pourrait grandement améliorer les appareils qui reposent sur le son comme technologie fondamentale », a ajouté Erik Szakiel.humsci.stanford

Pour la suite, le laboratoire prévoit de construire un dispositif doté de deux barres de résonance reliées à un qubit partagé. Ainsi, la perte d'un phonon sur l'une ou l'autre barre serait signalée comme une erreur identifiée plutôt que comme une altération silencieuse, ce qui constituerait un pas de plus vers l'architecture requise pour la correction d'erreurs.earth