Rendre les vibrations quantiques non linéaires

Les phonons sont les unités quantiques des vibrations mécaniques. Ils décrivent la manière dont le mouvement se propage à travers un solide à l’échelle la plus petite possible, de la même manière que les électrons décrivent les courants électriques. Les phonons pouvant être exceptionnellement stables et sensibles, ils sont utilisés en science et technologie quantiques.

Les chercheurs sont déjà capables de détecter et de contrôler des phonons individuels. Le problème réside dans la capacité à faire interagir les phonons entre eux de manière prévisible et réglable, ce qui serait une condition essentielle pour construire des systèmes quantiques complexes tels que les ordinateurs quantiques.

Les interactions sont essentielles dans les technologies quantiques. Que l'objectif soit de détecter des forces infimes ou de traiter des informations, une excitation quantique doit pouvoir en influencer une autre. En pratique, cela nécessite une non-linéarité, ce qui signifie que l'ajout d'une excitation modifie la façon dont le système réagit à la suivante, plutôt que de voir chaque excitation se comporter de manière indépendante.

Les systèmes mécaniques sont intéressants dans ce contexte car ils peuvent stocker de l'énergie pendant de longues périodes. Mais les phonons sont généralement des excitations linéaires et, laissés à eux-mêmes, n’interagissent pas. Cela a rendu difficile le passage du contrôle de modes à phonon unique à la construction de dispositifs où de nombreux phonons agissent ensemble.

Des chercheurs dirigés par Pasquale Scarlino à l’EPFL, en collaboration avec Per Delsing de l’université technologique de Chalmers, ont désormais trouvé une solution en construisant une puce microfabriquée qui héberge à la fois des vibrations mécaniques et de l’électronique supraconductrice non linéaire.

En couplant plusieurs modes mécaniques — des schémas de vibration distincts au sein du dispositif — à un circuit supraconducteur non linéaire constitué de réseaux de jonctions Josephson sur la même puce, ils ont réussi à créer un dispositif « acoustique quantique » dans lequel plusieurs modes de phonons peuvent interagir simultanément avec le résonateur.

Le dispositif

Le dispositif a été fabriqué chez MyFab Chalmers et combine deux composants principaux. Le premier est une cavité à ondes acoustiques de surface, qui confine les vibrations mécaniques à la surface d’un solide. Ces vibrations transportent des phonons et forment un ensemble de modes mécaniques discrets.

Le deuxième composant est un résonateur hyperfréquence supraconducteur dont les propriétés peuvent être ajustées à l’aide d’un champ magnétique. Lorsque les modes mécaniques et le résonateur sont rapprochés en fréquence, ils s’hybrident. Chaque mode phononique reçoit alors une faible contribution du circuit électronique non linéaire.

Rendre les phonons non linéaires

Les chercheurs ont découvert que même une faible contribution du circuit non linéaire suffit à faire interagir les modes phononiques. Un élément clé est le « rapport de participation », qui mesure l’intensité avec laquelle chaque mode phononique se mélange au résonateur supraconducteur. En extrayant ce paramètre directement des expériences, l’équipe a pu prédire à la fois les pertes d’énergie et les forces d’interaction.

Grâce à cette approche, les chercheurs ont mesuré les interactions entre plusieurs paires de modes phononiques. L'excitation d'un mode a décalé la fréquence d'un autre, signe évident d'une interaction phonon-phonon. Sous l'effet d'une excitation à deux photons, ils ont également observé un comportement bistable, dans lequel un mode mécanique bascule entre des états de vibration distincts.

Ces travaux établissent un cadre expérimental général pour l’ingénierie et la caractérisation des phonons en interaction. De tels systèmes pourraient permettre la mise au point de nouveaux types de capteurs quantiques, l’étude de phénomènes mécaniques collectifs et non linéaires, et soutenir de futures architectures dans lesquelles les modes mécaniques jouent un rôle actif dans le traitement de l’information quantique. Plus largement, ces travaux montrent comment les dispositifs acoustiques quantiques peuvent évoluer au-delà du fonctionnement en mode unique.

Autres contributeurs

• Centre pour les sciences et l'ingénierie quantiques de l'EPFL
• Laboratoire de photonique et de mesures quantiques (LPQM) de l'EPFL