Le vide quantique : un espace loin d’être vide

Lorsque l’on pense à l’espace vide, on imagine presque certainement un vide où rien d’intéressant ne peut jamais se produire. Si nous zoomons à des échelles de longueur minuscules où les effets quantiques commencent à devenir importants, il s’avère que ce que vous pensiez être vide est en réalité constamment rempli d’une activité électromagnétique bouillonnante, les photons virtuels clignotant dans et hors de l’existence. Ce phénomène inattendu est connu sous le nom de champ de fluctuation du vide.

Principaux enseignements

Interagir avec le champ de fluctuation du vide

En raison de la petitesse et de la brièveté de ces fluctuations d’énergie lumineuse, il est difficile de trouver des moyens pour la matière d’interagir avec elles, surtout au sein d’un seul dispositif intégré. Dans une étude publiée dans Nano Letters, des chercheurs de l’Institut des sciences industrielles, de l’Université de Tokyo ont réussi à fabriquer un seul système hybride à l’échelle nanométrique pour faire exactement cela.

Dans leur conception, un contact quantique ponctuel relie un seul résonateur à anneau fendu sur puce à un système d’électrons bidimensionnel. Le résonateur à anneau fendu, qui est une boucle métallique carrée de taille nanométrique avec un petit écart, réagit le plus fortement lorsqu’il est excité avec des fréquences résonantes spécifiques de rayonnement électromagnétique térahertz.

Vers une détection ultra-forte

Alors que les mesures optiques conventionnelles nécessitaient auparavant des réseaux avec de nombreux résonateurs, l’équipe est maintenant capable de détecter une couplage ultra-fort en utilisant un seul résonateur à anneau fendu térahertz connecté à des électrons 2D.

Pour rendre le traitement de l’information quantique plus réalisable à l’avenir, il est important de pouvoir déterminer l’état quantique à l’aide d’une structure de résonateur simple et unique. Cet objectif est également rendu plus réalisable en utilisant une détection électrique, plutôt qu’optique, qui est effectuée à l’aide du contact électrique ponctuel quantique.

En synthèse

La matière qui peut interagir avec les fluctuations du vide du champ électromagnétique est dite être dans le régime de couplage ultra-fort, explique Kazuyuki Kuroyama, premier auteur de l’étude.

L’expérience a montré que le signal de courant dans le contact quantique ponctuel pouvait être utilisé pour détecter le couplage ultra-fort du seul résonateur à anneau fendu avec le gaz d’électrons 2D. De plus, le courant électrique pouvait être mesuré dans le contact quantique ponctuel, même sans application de rayonnement externe. Les modulations du courant ont permis aux chercheurs de conclure que les interactions entre le gaz d’électrons 2D et les fluctuations du champ de vide du résonateur se produisent toujours en l’absence de rayonnement térahertz.

« Nos découvertes pourraient permettre des capteurs quantiques très sensibles qui fonctionnent sur la base du couplage entre les fluctuations du vide et un dispositif quantique hybride intégré », spécule Kazuhiko Hirakawa, auteur principal.

En plus d’en apprendre davantage sur les lois fondamentales de la nature à très petite échelle, les résultats de cette étude pourraient être utilisés pour aider à développer de futurs ordinateurs quantiques qui peuvent utiliser les phénomènes habituels pour traiter ou transmettre des données.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le champ de fluctuation du vide ?

Le champ de fluctuation du vide est un phénomène quantique où l’espace que nous considérons comme vide est en réalité constamment rempli d’une activité électromagnétique, avec des photons virtuels qui apparaissent et disparaissent.

Comment la matière peut-elle interagir avec les fluctuations du vide ?

Il est difficile de trouver des moyens pour la matière d’interagir avec ces fluctuations, en raison de leur petitesse et de leur brièveté. Cependant, des chercheurs de l’Université de Tokyo ont réussi à fabriquer un système hybride à l’échelle nanométrique qui peut le faire.

Qu’est-ce qu’un contact quantique ponctuel ?

Un contact quantique ponctuel est un dispositif qui relie un seul résonateur à anneau fendu sur puce à un système d’électrons bidimensionnel. Il est utilisé pour détecter le couplage ultra-fort entre les fluctuations du vide et les électrons.

Qu’est-ce que le couplage ultra-fort ?

Le couplage ultra-fort est un régime dans lequel la matière peut interagir avec les fluctuations du vide du champ électromagnétique. Il a été détecté en utilisant un seul résonateur à anneau fendu térahertz connecté à des électrons 2D.

Quelles sont les applications potentielles de ces découvertes ?

Ces découvertes pourraient permettre la création de capteurs quantiques très sensibles et aider à développer de futurs ordinateurs quantiques qui peuvent utiliser ces phénomènes pour traiter ou transmettre des données.

Source : « Electrical Detection of Ultrastrong Coherent Interaction between Terahertz Fields and Electrons Using Quantum Point Contacts », Nano Letters, Université de Tokyo