Les chercheurs de l'Université de Stanford ont développé un dispositif expérimental clé pour les futures technologies basées sur la physique quantique qui emprunte une page des appareils mécaniques actuels et quotidiens.
Photographie de la vue angulaire de l'appareil entièrement emballé.La puce supérieure (mécanique) est sécurisée face à la puce inférieure (Qubit) par un polymère adhésif.(Crédit d'image: Agnetta Cleland)
Les dispositifs acoustiques fiables, compacts, durables et efficaces, exploitent le mouvement mécanique pour effectuer des tâches utiles.Un excellent exemple d'un tel appareil est l'oscillateur mécanique.Lorsqu'il est déplacé par une force - comme le son, par exemple - les composants de l'appareil commencent à se déplacer dans leur position d'origine.La création de ce mouvement périodique est un moyen pratique de garder le temps, les signaux de filtrage et le mouvement de sens dans l'électronique omniprésente, y compris les téléphones, les ordinateurs et les montres.
Les chercheurs ont cherché à faire tomber les avantages des systèmes mécaniques dans les échelles extrêmement petites du mystérieux royaume quantique, où les atomes interagissent délicatement et se comportent de manière contre-intuitive.À cette fin, les chercheurs de Stanford dirigés par Amir Safavi-Naeini ont démontré de nouvelles capacités en couplant de minuscules oscillateurs nanomécaniques avec un type de circuit qui peut stocker et traiter l'énergie sous la forme d'un qubit, ou «bit» quantique d'informations.En utilisant le qubit de l'appareil, les chercheurs peuvent manipuler l'état quantique des oscillateurs mécaniques, générant les types d'effets mécaniques quantiques qui pourraient un jour autoriser l'informatique avancée et les systèmes de détection ultrapreciens.
"Avec cet appareil, nous avons montré une prochaine étape importante pour essayer de construire des ordinateurs quantiques et d'autres dispositifs quantiques utiles basés sur des systèmes mécaniques", a déclaré Safavi-Naeini, professeur agrégé au Département de physique appliquée de l'école de sciences humaines de Stanford etles sciences. Safavi-Naeini is senior author of a new study published April 20 in the journal Nature describing the findings."Nous sommes en substance à construire des systèmes" mécaniques mécaniques mécaniques "mécaniques", a-t-il déclaré.
Rassembler les effets quantiques sur les puces informatiques
Les premiers auteurs conjoints de l'étude, Alex Wollack et Agnetta Cleland, tous deux doctorants à Stanford, ont dirigé l'effort pour développer ce nouveau matériel quantique basé sur la mécanique.En utilisant les installations partagées de Stanford Nano sur le campus, les chercheurs ont travaillé dans des salles blanches alors qu'elles étaient équipées dans les «combinaisons de lapin» blanches couvrant le corps portées dans les usines de fabrication de semi-conducteurs afin d'empêcher les impuretés de contaminer les matériaux sensibles en jeu.
Avec des équipements spécialisés, Wollack et Cleland ont fabriqué des composants matériels à des résolutions à l'échelle nanométrique sur deux puces informatiques en silicium.Les chercheurs ont ensuite adhéré les deux puces ensemble afin que les composants de la puce inférieure aient fait face à ceux en haut de la moitié, à la sandwich.
Sur la puce inférieure, Wollack et Cleland ont façonné un circuit supraconducteur en aluminium qui forme le qubit de l'appareil.L'envoi d'impulsions micro-ondes dans ce circuit génère des photons (particules de lumière), qui codent pour un qubit d'informations dans l'appareil.Contrairement aux dispositifs électriques conventionnels, qui stockent les bits sous forme de tensions représentant un 0 ou un 1, des qubits dans les dispositifs mécaniques quantiques peuvent également représenter des combinaisons pondérées de 0 et 1 simultanément.Cela est dû au phénomène mécanique quantique connu sous le nom de superposition, où un système quantique existe dans plusieurs états quantiques à la fois jusqu'à ce que le système soit mesuré.
«La façon dont la réalité fonctionne au niveau mécanique quantique est très différente de notre expérience macroscopique du monde», a déclaré Safavi-Naeini.
La puce supérieure contient deux résonateurs nanomécaniques formés par des structures cristallines suspendues en forme de pont à peine quelques dizaines de nanomètres - ou des milliardièmes de mètre - longs.Les cristaux sont faits de niobate de lithium, un matériau piézoélectrique.Les matériaux avec cette propriété peuvent convertir une force électrique en mouvement, qui dans le cas de cet appareil signifie que le champ électrique transmis par le photon Qubit est converti en quantum (ou une seule unité) d'énergie vibratoire appelée phonon.
"Tout comme les ondes légères, qui sont quantifiées en photons, les ondes sonores sont quantifiées en" particules "appelées phonons", a déclaré Cleland, "et en combinant l'énergie de ces différentes formes dans notre appareil, nous créons une technologie quantique hybride qui exploite les avantagesdes deux."
La génération de ces phonons a permis à chaque oscillateur nanomécanique d'agir comme un registre, qui est le plus petit élément de rétention de données possible d'un ordinateur, et avec le qubit fournissant les données.Comme le qubit, les oscillateurs peuvent donc également être dans un état de superposition - ils peuvent être à la fois excités (représentant 1) et pas excités (représentant 0) en même temps.Le circuit supraconducteur a permis aux chercheurs de se préparer, de lire et de modifier les données stockées dans les registres, conceptuellement similaire à la fonctionnalité des ordinateurs conventionnels (non quantum).
“The dream is to make a device that works in the same way as silicon computer chips, for example, in your phone or on a thumb drive, where registers store bits," said Safavi-Naeini."Et même si nous ne pouvons pas encore stocker des bits quantiques sur un lecteur de pouce, nous montrons le même genre de chose avec les résonateurs mécaniques."
Tirer parti de l'enchevêtrement
Au-delà de la superposition, la connexion entre les photons et les résonateurs de l'appareil a encore exploité un autre phénomène mécanique quantique important appelé enchevêtrement.Ce qui rend les états enchevêtrés si contre-intuitifs, et aussi notoirement difficiles à créer dans le laboratoire, c'est que les informations sur l'état du système sont distribuées sur un certain nombre de composants.Dans ces systèmes, il est possible de tout savoir sur deux particules ensemble, mais rien sur l'une des particules observées individuellement.Imaginez deux pièces qui sont retournées à deux endroits différents, et qui sont observées comme atterrissant comme des têtes ou des queues avec une probabilité égale, mais lorsque des mesures aux différents endroits sont comparées, elles sont toujours corrélées;c'est-à-dire que si une pièce atterrit comme queue, l'autre pièce est garantie pour atterrir comme des têtes.
Un seul quantum de mouvement, ou phonon, est partagé entre deux dispositifs nanomécaniques, les faisant s'emmêler.(Crédit d'image: Agnetta Cleland)
La manipulation de plusieurs qubits, le tout en superposition et enchevêtré, est le calcul et la détection d'alimentation du punch dans les technologies basées sur quantum recherchées. “Without superposition and lots of entanglement, you can’t build a quantum computer," said Safavi-Naeini.
Pour démontrer ces effets quantiques dans l'expérience, les chercheurs de Stanford ont généré un seul qubit, stocké sous forme de photon dans le circuit sur la puce inférieure.Le circuit a ensuite été autorisé à échanger de l'énergie avec l'un des oscillateurs mécaniques sur la puce supérieure avant de transférer les informations restantes vers le deuxième appareil mécanique.En échangeant de l'énergie de cette manière - d'abord avec un oscillateur mécanique, puis avec le deuxième oscillateur - les chercheurs ont utilisé le circuit comme un outil pour intégrer mécaniquement les deux résonateurs mécaniques l'un de l'autre.
“The bizarreness of quantum mechanics is on full display here," said Wollack.«Non seulement le son vient en unités discrètes, mais une seule particule de son peut être partagée entre les deux objets macroscopiques enchevêtrés, chacun avec des milliards d'atomes se déplaçant - ou non - en concert."
Pour finalement effectuer des calculs pratiques, la période d'enchevêtrement soutenu ou de cohérence devrait être beaucoup plus longue - de l'ordre des secondes au lieu des fractions des secondes atteintes jusqu'à présent.La superposition et l'enchevêtrement sont tous deux des conditions très délicates, vulnérables à même de légères perturbations sous forme de chaleur ou autre énergie, et en conséquence des dispositifs de détection quantique proposés avec une sensibilité exquise.Mais Safavi-Naeini et ses co-auteurs croient que les temps de cohérence plus longs peuvent être facilement réalisables en perfectionnant les processus de fabrication et en optimisant les matériaux impliqués.
“We’ve improved the performance of our system over the last four years by nearly 10 times every year," said Safavi-Naeini.«À l'avenir, nous continuerons à faire des étapes concrètes vers la conception de dispositifs mécaniques quantiques, comme les ordinateurs et les capteurs, et apporter les avantages des systèmes mécaniques dans le domaine quantique."
Les co-auteurs supplémentaires sur le journal incluent Rachel G.Gruenke, Zhaoyou Wang et Patricio Arrange-Arriola du Département de physique appliquée à l'école des sciences humaines et des sciences de Stanford.
La recherche a été financée par les David et Lucile Packard, Stanford Graduate et Sloan Fellowships.Ce travail a été financé par Amazon Inc., U.S.Bureau de la recherche navale, u.S.Département de l'énergie, Fondation nationale des sciences, bureau de recherche de l'armée et recherche NTT.
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