Être gentil avec les systèmes quantiques mécaniques

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Vue au microscope optique du dessus du résonateur acoustique (deux grands disques avec un transducteur piézoélectrique à l’intérieur) et de l’antenne attachée au qubit supraconducteur (structure blanche). Crédits : adapté de von Lüpke et al. Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01591-2.

Lorsque l’on pense aux systèmes de mécanique quantique, on peut penser à des photons uniques et à des ions et des atomes ou des électrons bien isolés émis à travers un cristal. Plus exotiques dans le contexte de la mécanique quantique sont les systèmes quantiques véritablement mécaniques ; c’est-à-dire de gros objets pour lesquels le mouvement mécanique, comme les vibrations, est quantifié. Dans une série d’expériences révolutionnaires, d’excellentes propriétés de mécanique quantique ont été observées dans les systèmes mécaniques, y compris la quantification d’énergie et l’intrication.


Cependant, l’observation des propriétés quantiques n’est qu’une première étape pour l’utilisation de tels systèmes dans la recherche fondamentale et les applications technologiques. L’étape suivante consiste à maîtriser la manipulation des objets quantiques mécaniques afin que leurs états quantiques puissent être contrôlés, mesurés et éventuellement utilisés dans des structures de type dispositif. Le groupe Yiwen Chu du Département de physique de l’ETH Zurich a maintenant fait de grands progrès dans cette direction. pour écrire Physique naturelleIls rapportent l’extraction d’informations d’un système quantique mécanique sans perturber son précieux état quantique. Ces progrès ouvrent la voie à des applications telles que : correction d’erreur quantiqueet au-delà.

grande mécanique quantique

Les physiciens de l’ETH utilisent une plaque de saphir de haute qualité d’une épaisseur d’un peu moins d’un demi-millimètre comme système mécanique. Au-dessus se trouve un mince transducteur piézoélectrique qui peut générer de l’excitation. ondes acoustiquesprojeté vers le bas et s’étendant ainsi sur un volume bien défini à l’intérieur de la dalle. Ces excitations sont le mouvement de masse de nombreux atomes, mais elles sont quantifiées (en unités d’énergie appelées phonons) et peuvent être soumises à des opérations quantiques de la même manière que les états quantiques des atomes, du moins en principe. , photons et électrons.

Étonnamment, il est possible d’interfacer résonateur mécanique avec d’autres systèmes quantiques, et en particulier avec des qubits supraconducteurs. Ces derniers sont de petits circuits électroniques dans lesquels les états d’énergie électromagnétique sont quantifiés et sont actuellement l’une des principales plates-formes pour la construction d’ordinateurs quantiques évolutifs. Cette Champs électromagnétiques Associé au circuit supraconducteur, il permet de coupler le qubit au transducteur piézoélectrique du résonateur acoustique et donc aux états quantiques mécaniques.

Dans de tels dispositifs hybrides qubit-résonateur, le meilleur des deux mondes peut être combiné. Plus précisément, des capacités de calcul très avancées qubits supraconducteurs Il peut être utilisé simultanément avec la robustesse et la longévité des modes acoustiques qui peuvent servir de mémoires quantiques ou de transducteurs. Cependant, combiner les états du qubit et du résonateur seuls ne suffira pas pour de telles applications. Par exemple, une simple mesure de l’état quantique dans le résonateur le détruit et rend les mesures répétées impossibles. Ce qu’il faut à la place, c’est la capacité d’extraire des informations sur l’état quantique mécanique d’une manière plus fluide et bien contrôlée.

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Dispositif hybride à couplage flip-chip avec une puce de résonateur acoustique sur une puce qubit supraconductrice. La puce inférieure mesure 7 mm de long. Crédits : adapté de von Lüpke et al. Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01591-2.

manière non destructive

Les doctorants de Chu, Uwe von Lüpke, Yu Yang et Marius Bild, ainsi que Matteo Fadel de Branco Weiss, et avec le soutien de l’étudiant du projet de semestre Laurent Michaud, ont réussi à démontrer un protocole pour de telles mesures pseudo-quantiques non destructives. Dans leurs expériences, il n’y a pas d’échange d’énergie direct entre le qubit supraconducteur et le résonateur acoustique pendant la mesure. Au lieu de cela, les propriétés du qubit dépendent du nombre de phonons dans le résonateur acoustique sans qu’il soit nécessaire de “toucher” directement l’état quantique mécanique – pensez à un therem, un instrument de musique dans lequel la hauteur dépend de la position. de la main du musicien sans contact physique avec l’instrument.

Il est assez difficile de créer un système hybride dans lequel l’état du résonateur se reflète dans le spectre du qubit. Il existe des exigences strictes sur la durée pendant laquelle les états quantiques peuvent être maintenus à la fois dans le qubit et le résonateur avant qu’ils ne soient perdus en raison d’imperfections et de distorsions externes. La tâche de l’équipe était donc de repousser les durées de vie des états quantiques du qubit et du résonateur. Ils ont réussi en apportant un certain nombre d’améliorations, y compris une sélection rigoureuse du type de supraconductivité. coudée Il a utilisé et encapsulé le dispositif hybride dans une cavité supraconductrice en aluminium pour fournir un blindage électromagnétique étanche.

Informations quantiques sur la base du besoin de savoir

Ayant réussi à pousser leur système dans le régime opérationnel souhaité (appelé « régime de dispersion forte »), l’équipe a pu extraire en douceur la dispersion du nombre de phonons dans leurs résonateurs acoustiques après excitation avec différentes amplitudes. Ils ont également démontré un moyen de déterminer si le nombre de phonons est présent dans une seule mesure. résonateur pair ou impair – la soi-disant mesure de parité – sans rien apprendre d’autre sur la distribution des phonons. L’obtention d’informations aussi précises, mais rien de plus, est cruciale dans un certain nombre d’applications de la technologie quantique. Par exemple, un changement de parité (une transition impaire à paire ou vice versa) peut indiquer qu’une erreur affecte l’état quantique et qu’une correction est nécessaire. Ici, bien sûr, il est essentiel que la situation à corriger ne soit pas détruite.

Cependant, un affinement supplémentaire du système hybride est nécessaire avant la mise en œuvre de tels schémas de correction d’erreurs, notamment pour améliorer la fidélité des opérations. Mais la correction d’erreur quantique n’est pas la seule utilisation à l’horizon. Il existe un certain nombre de propositions théoriques passionnantes dans la littérature scientifique pour les protocoles d’information quantique ainsi que pour les études fondamentales qui tirent parti du fait que des états quantiques acoustiques existent dans des objets gigantesques. Celles-ci offrent des opportunités uniques, par exemple, d’explorer la portée de la mécanique quantique à la frontière des grands systèmes et d’utiliser les systèmes quantiques mécaniques comme capteur.


Comment tester les limites de la mécanique quantique


Plus d’information:
Uwe von Lüpke et al., Mesure de la parité en régime de forte dispersion de la dynamique acoustique quantique des circuits, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41567-022-01591-2

Note: Être gentil avec les systèmes quantiques mécaniques (13 mai 2022), récupéré le 14 mai 2022, sur https://phys.org/news/2022-05-gentle-mechanical-quantum.html.

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