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Traditionnellement, la mécanique quantique s’est attachée à décrire le comportement des particules élémentaires, des atomes et des molécules. À notre connaissance, il n’existe toutefois aucune raison selon laquelle les objets plus grands, qui relèvent du domaine de la mécanique classique, ne suivraient pas les mêmes règles.
Autrement dit, ces objets pourraient présenter le même type de comportement quantique «étrange», pour reprendre l’expression d’Einstein. Il s’agit notamment de l’intrication, lorsque deux objets distants se retrouvent intimement liés, d’une manière qui défie la physique classique et l’idée que notre bon sens nous aide à avoir de la réalité.
«En physique, les “objets massifs en mouvement” représentent l’archétype des systèmes classiques, et il s’agit donc du sujet idéal pour déceler le potentiel quantique dans le monde macroscopique», explique Mika Sillanpää, coordinateur du projet CAVITYQPD, financé par l’UE et soutenu par le Conseil européen de la recherche. «Bien qu’il s’agisse d’une ambition nourrie de longue date, les difficultés des expériences ont constitué des obstacles importants.»
En utilisant des techniques développées spécialement à cet effet qui permettent de procéder à des mesures quantiques sensibles, l’équipe a démontré, conjointement avec un autre groupe et pour la première fois, que de petits résonateurs mécaniques – de seulement 15 microns de diamètre, mais massifs à l’échelle atomique – pouvaient être placés dans un état quantique intriqué.
«L’intrication est extrêmement fragile et, jusqu’à présent, elle a surtout été observée dans des systèmes microscopiques comme la lumière ou les atomes, et plus récemment dans des circuits électriques supraconducteurs», explique Mika Sillanpää, affilié à l’Université d’Aalto, qui accueille le projet.
Des relations quantiques dans le monde classique
Dans le cadre du projet CAVITYQPD, les résonateurs micromécaniques (MR), en l’occurrence de minuscules tambours vibrants en aluminium métallique montés sur une puce en silicium, représentent des objets massifs en mouvement. Le mouvement de ces objets obéit généralement aux règles de la physique classique: ainsi, l’état d’un objet, tel qu’un pendule, rend son mouvement prévisible dans l’espace et le temps.
«La société moderne s’appuie sur les résonateurs micromécaniques parce qu’ils sont présents dans tous nos appareils électroniques, où leurs vibrations fiables, prévisibles et précises jouent le rôle d’une “horloge” pour les processeurs», ajoute Mika Sillanpää.
Le projet a cherché à déterminer si l’intrication entre deux MR pouvait être induite et détectée de la même manière qu’entre des systèmes atomiques.
Bien qu’il en existe de nombreux types, l’équipe de CAVITYQPD a développé ses propres versions de MR, en testant des modèles en salle blanche, et en complétant ces essais par des simulations informatiques.
L’intrication a été induite en plaçant les MR vibrants dans un petit dispositif appelé résonateur à cavité. Dans ce dispositif, les MR sont manipulés dans un état d’intrication en utilisant un circuit supraconducteur à micro-ondes. «Lorsque l’intrication est atteinte, les MR vibrent de manière synchronisée. Il est possible de détecter ce phénomène dans les émissions de micro-ondes, ce qui nous donne une preuve directe du succès de l’intrication», explique Mika Sillanpää.
Pour que cela fonctionne, les expériences sont menées à une température proche du zéro absolu, à -273 °C.
Un véritable saut quantique pour l’ingénierie?
De nombreuses entreprises et instituts de recherche investissent actuellement dans les technologies quantiques, et l’intrication est un élément clé dans le traitement de l’information quantique.
Les MR pourraient offrir une interface quantique entre notre monde quotidien et les processeurs à qubit à l’état solide des ordinateurs quantiques, offrant une puissance de calcul bien supérieure aux capacités actuelles. En effet, l’équipe de CAVITYQPD a été parmi les premières à coupler un MR à un qubit supraconducteur (l’unité de base de l’information quantique).
Une piste envisageable pourrait consister à convertir l’information d’un qubit sous forme de photons à l’aide d’un résonateur mécanique. Cela permettrait de mettre en réseau des informations quantiques sur de longues distances par l’intermédiaire de réseaux de fibres optiques. «Une interface reliant des qubits à l’état solide à des signaux optiques offre une gamme d’applications allant au-delà de l’informatique quantique. Des capteurs quantiques hypersensibles pourraient par exemple mesurer les ondes gravitationnelles», explique Mika Sillanpää.
L’équipe prévoit maintenant d’étudier des sujets très ambitieux, mais encore mal compris, qui concernent la physique quantique, notamment la nature précise des interactions entre la mécanique quantique et la gravité, ainsi que la théorie de la relativité générale d’Einstein.
«Oui, c’est très ambitieux, mais un travail de recherche qui mérite qu’on y consacre des efforts doit paraître intimidant au départ», conclut Mika Sillanpää.
Video in English
https://www.youtube.com/watch?v=I6d4Ib1QKU8