Un nouveau niveau de précision dans la détection quantique

Tout comme l'eau se transforme soudainement en glace à 0°C, certains systèmes quantiques subissent également des changements abrupts connus sous le nom de transitions de phase. À proximité de ces points critiques, même un changement minime des conditions peut entraîner des effets importants et mesurables. Bien que cette propriété ait longtemps été considérée comme bénéfique pour la détection, son exploitation dans un dispositif quantique est restée un défi de taille jusqu'à présent.

Une équipe de l'EPFL, dirigée par le professeur Pasquale Scarlino, a réussi à combler le fossé entre la théorie et l'expérience en développant un capteur quantique qui utilise la sensibilité accrue à proximité d'une transition de phase du deuxième ordre, un changement progressif mais spectaculaire des propriétés d'un matériau sans saut soudain - comme un aimant qui perd son magnétisme à une certaine température - pour détecter de petites variations de fréquence.

« L'idée est simple mais puissante », explique Guillaume Beaulieu, doctorant et auteur principal de l'étude dans PRX Quantum. « Si vous rapprochez un système d'une transition de phase, il devient beaucoup plus sensible aux petits signaux. Nous avons construit un dispositif quantique exploite cette propriété. »

Le dispositif au cœur de l'expérience est un résonateur supraconducteur appelé résonateur de Kerr, refroidi à des températures cryogéniques et réglé pour fonctionner près du point où se produit la transition de phase de second ordre. À proximité de ce point critique, le système devient très sensible aux petites variations de fréquence. Les chercheurs ont démontré que les performances du capteur s'améliorent plus rapidement que prévu à mesure que la taille du système augmente, un effet connu sous le nom de « quantum-enhanced scaling ».

Alors que le résonateur de Kerr est basé sur la technologie supraconductrice existante, cette étude explore son fonctionnement dans un régime différent. Les résultats ouvrent des voies prometteuses pour la détection de champs magnétiques faibles, de signaux électromagnétiques et de forces mécaniques.

Ces travaux s'appuient sur les recherches antérieures de l'équipe sur les transitions de phase quantiques dans les circuits supraconducteurs. En reliant ces connaissances fondamentales à des applications pratiques de détection, les chercheurs de l'EPFL contribuent à transformer la physique fondamentale en outils puissants pour la technologie quantique.

« L'étape suivante consiste à intégrer cette approche de détection critique dans des dispositifs réels », explique le professeur Pasquale Scarlino. « Nous souhaitons explorer cette sensibilité accrue pour détecter des champs magnétiques extrêmement faibles, des signaux micro-ondes et des forces mécaniques.

Ces capteurs quantiques extrêmement sensibles pourraient être utilisés en informatique quantique pour lire plus efficacement les états fragiles des qubits, ou dans des expériences de physique fondamentale où la détection de forces ou de champs très faibles est cruciale. En exploitant la réponse rapide à proximité du point critique, ces dispositifs promettent des mesures avec moins d'erreurs, ce qui ouvre de nouvelles possibilités dans de nombreux domaines.