Les scientifiques ont créé le premier qubit mécanique au monde : un petit système mobile qui stocke des informations quantiques en utilisant des vibrations au lieu de courants électriques ou de lumière.
Qubits sont les unités fondamentales de informations quantiques. Contrairement aux bits que l’on trouve dans un ordinateur classique, les qubits peuvent exister sous la forme 0, 1 ou une superposition des deux, grâce au fonctionnement interne étrange de mécanique quantique et enchevêtrement.
Traditionnellement, ceux-ci sont fabriqués à partir de supraconducteur circuits, chargés atomes (ions), ou des particules légères (photons). Le nouveau qubit mécanique utilise cependant phonons – un type de « quasiparticule » – généré par les vibrations au sein d’un verre saphir conçu avec précision.
Une quasiparticule est un concept utilisé pour décrire le comportement et les interactions d’un groupe de particules comme si elles agissaient comme une seule particule. Dans ce cas, les phonons représentent des quasiparticules qui servent essentiellement de porteurs d’énergie vibratoire.
Cette avancée pourrait ouvrir la voie à des technologies de capteurs ultra-sensibles capables de détecter des forces telles que la gravité, ainsi qu’à de nouvelles méthodes permettant de maintenir la stabilité des ordinateurs quantiques sur de plus longues périodes, ont indiqué les scientifiques. Ils ont publié leur étude le 14 novembre dans la revue Science.
Les systèmes mécaniques ont toujours été considérés comme trop complexes pour être utilisés comme qubits car, grâce aux principes de la mécanique quantique, ils ne sont jamais complètement immobiles. Cela signifie qu’il y a toujours un mouvement résiduel qui doit être pris en compte et contrôlé pour qu’ils fonctionnent au niveau quantique.
De même, les oscillateurs mécaniques – des dispositifs qui stockent et transfèrent de l’énergie sous forme de phonons – sont généralement soumis à des vibrations harmoniques à des niveaux d’énergie régulièrement espacés. C’est un problème, expliquent les scientifiques, car un espacement uniforme rend difficile l’isolement des deux états énergétiques nécessaires pour représenter le 0 et le 1 d’un qubit.
« (Le défi) est de savoir si vous pouvez rendre les niveaux d’énergie suffisamment inégalement espacés pour pouvoir en traiter deux sans toucher les autres », co-auteur de l’étude. Yiwen Chuphysicien à l’ETH Zürich, a déclaré Science.
Les chercheurs ont résolu ce problème en créant un système « hybride », couplant un résonateur en cristal saphir mesurant 400 micromètres (0,4 mm) avec un qubit supraconducteur et en réglant les deux pour qu’ils interagissent à des fréquences légèrement décalées. Lorsque le résonateur et le qubit interagissaient, leurs états quantiques étaient mélangés, ce qui entraînait des niveaux d’énergie inégalement espacés dans le résonateur – un phénomène connu sous le nom d’« anharmonicité ».
Cela a permis aux chercheurs d’isoler deux états énergétiques distincts, transformant ainsi le résonateur en un qubit mécanique.
Alors que le qubit mécanique pouvait contenir et manipuler des informations quantiques, la fidélité du système – une mesure de la précision avec laquelle il effectue des opérations quantiques – a été enregistrée à seulement 60 %. En comparaison, les qubits supraconducteurs de pointe sont souvent atteindre des fidélités supérieures à 99 %.
Néanmoins, les qubits mécaniques peuvent offrir des avantages uniques, affirment les scientifiques. Par exemple, ils peuvent interagir avec des forces telles que la gravité d’une manière que d’autres systèmes quantiques ne peuvent pas interagir, ce qui en fait des candidats prometteurs pour le développement de capteurs quantiques hautement sensibles.
Les qubits mécaniques pourraient également être capables de stocker des informations quantiques pendant des périodes plus longues, ont-ils déclaré. Ceci est essentiel pour maintenir la cohérence – une mesure de la durée pendant laquelle un système peut rester stable et effectuer des calculs à l’aide de données quantiques sans interférence.
Les chercheurs travaillent actuellement à relier plusieurs qubits mécaniques pour effectuer des calculs de base, ce qui, selon eux, marquerait une étape clé vers des applications pratiques de cette technologie.
