Un réservoir quantique pour les micro-ondes

Dans une expérience récente à l’EPFL, un résonateur à micro-ondes, un circuit dans lequel des signaux électriques oscillent à une fréquence de résonance, est couplé aux vibrations d’un micro-tambour métallique. En refroidissant activement le mouvement mécanique jusqu’à un niveau proche de la plus faible énergie permise par la mécanique quantique, le micro-tambour peut être transformé en réservoir quantique – un environnement qui peut façonner les états des micro-ondes. Les résultats sont publiés dans une publication avancée de Nature Physics. László Dániel Tóth, Nathan Bernier et le Dr Alexey Feofanov ont mené les recherches dans le Laboratoire de photonique et de mesures quantiques de Tobias Kippenberg à EPFL, avec le soutien du Dr Andreas Nunnenkamp, théoricien de l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni. Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques, tout comme la lumière visible, mais avec une fréquence plus basse de quatre ordres de grandeur. Les micro-ondes constituent l’épine dorsale de nombreuses technologies de la vie quotidienne, des fours à micro-ondes et téléphones cellulaires à la communication par satellite, et ont récemment gagné en importance dans la manipulation de l’information quantique dans les circuits supraconducteurs — l’un des candidats les plus prometteurs pour réaliser de futurs ordinateurs quantiques. Le micro-tambour, ne mesurant que 30 microns de diamètre et 100 nanomètres d’épaisseur, est fabriqué par le Centre de MicroNanotechnologie (CMi) à l’EPFL. Il constitue la plaque supérieure d’un condensateur dans un résonateur supraconducteur à micro-ondes. La position du tambour module la fréquence de résonance du résonateur et, inversement, une tension électrique aux bornes du condensateur exerce une force sur le micro-tambour. Grâce à cette interaction bidirectionnelle, l’énergie peut être échangée entre les vibrations mécaniques et les oscillations électriques dans le circuit supraconducteur. Dans l’expérience, le micro-tambour est d’abord refroidi à un point proche de son niveau quantique d’énergie la plus basse, avec un signal micro-onde convenablement réglé. Chaque photon micro-onde (un quantum de lumière) emporte l’énergie d’un phonon (un quantum de mouvement mécanique) de telle sorte que l’énergie mécanique soit réduite. Ce processus de refroidissement augmente la dissipation et transforme le micro-tambour en un réservoir dissipatif pour le résonateur à micro-ondes. En ajustant les interactions entre la cavité et le micro-tambour refroidi, qui devient alors un environnement pour les micro-ondes, la cavité peut être transformée en amplificateur à micro-ondes. L’aspect le plus intéressant de ces processus d’amplification est le bruit ajouté, soit la quantité de fluctuations aléatoires qui est ajoutée au signal amplifié. Contre-intuitivement, la mécanique quantique dicte que ce bruit ajouté ne peut pas être supprimé complètement, même en principe. L’amplificateur réalisé dans cette expérience de l’EPFL s’approche très étroitement de cette limite, et est donc aussi «silencieux» que possible. Fait intéressant, dans un régime différent, le micro-tambour transforme le résonateur à micro-ondes en un maser (ou un laser à micro-ondes). « Il y a eu beaucoup d’efforts de recherche pour amener les oscillateurs mécaniques dans le régime quantique au cours des dernières années », explique le Dr Alexey Feofanov, chercheur postdoctoral sur le projet. « Cependant, notre expérience est l’une des premières qui démontrent et exploitent leurs capacités pour les futures technologies quantiques ». Pour l’avenir, cette expérience rend possibles des phénomènes nouveaux dans le domaine des systèmes optomécaniques tels que le routage de signaux micro-ondes sans bruit, ou encore l’intrications de micro-ondes. De manière générale, elle prouve que les oscillateurs mécaniques peuvent constituer une ressource utile dans le domaine en croissance rapide de la science et l’ingénierie quantiques.

Image: Photographie de la puce utilisée dans l'expérience pour coupler une cavité des micro-ondes avec un tambour à taille micromètre (la pointe crayon violet est placée sous forme d'échelle). L’insertion présente une micrographie électronique à balayage du tambour. La membrane supérieure du tambour est suspendue à seulement 50 nm (1/2000e du diamètre d’un cheveu) au-dessus d'une plaque métallique. Ceci est ensuite utilisé pour manipuler et amplifier les micro-ondes dans le régime quantique. Crédit: N. R. Bernier et L. D. Tóth (EPFL).

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Les futurs développements dans les voies ouvertes par cette expérience seront soutenus par deux nouveaux projets Horizon 2020: Hybrid Optomechanical Technologies (HOT) et Optomechanical Technologies (OMT), tous deux coordonnés à l’EPFL. Le projet a été financé par la Fondation nationale suisse de la science, le pôle de recherche national QSIT et l’iQUOEMS de l’Union européenne. L. D. Tóth a été soutenu par le cQOM de l’Union européenne, Marie Curie International Training Network. A. Nunnenkamp détient une bourse de recherche universitaire de la Société royale et reçoit le soutien du programme Winton pour la physique de la durabilité. Référence L. D. Tóth, N. R. Bernier, A. Nunnenkamp, A. K. Feofanov, T. J. Kippenberg. A dissipative quantum reservoir for microwave light using a mechanical oscillator. Nature Physics 15 May 2017. DOI: 10.1038/nphys4121