Le son s'estompe généralement progressivement jusqu'au silence. À l'échelle quantique, des scientifiques de Stanford l'ont désormais vu disparaître étape par étape.
Des chercheurs ont observé directement un phonon individuel, l'unité quantique du son, passer d'un état d'énergie à un autre en temps réel, grâce à un résonateur mécanique microscopique associé à un qubit supraconducteur. Cette expérience offre aux physiciens un moyen de suivre précisément le moment où un état quantique mécanique change, une capacité qui pourrait à terme aider les chercheurs à détecter les erreurs des ordinateurs quantiques et à construire des capteurs extrêmement sensibles.
Cette découverte transforme également une prédiction quantique vieille d'un siècle en un phénomène que les chercheurs peuvent observer.
Comment Stanford a capturé un saut quantique dans le son
Les sauts quantiques sont des transitions abruptes entre des niveaux d'énergie discrets. Les scientifiques les ont démontrés dans des ions piégés en 1986 et dans des photons en 2007, mais suivre directement un phonon individuel au cours d'un tel saut restait hors de portée.
L'équipe de Stanford, dirigée par Amir Safavi-Naeini, professeur de physique appliquée, a fait état de la première observation directe en temps réel dans Science. Contrairement à un photon, un phonon représente un mouvement coordonné impliquant de nombreux atomes, étendant l'observation des sauts quantiques en temps réel à un système mécanique.
L'expérience reposait sur trois éléments clés :
- Un résonateur mécanique à l'échelle d'une puce : Des chercheurs ont fabriqué un résonateur microscopique capable de vibrer pendant environ deux millisecondes.
- Des centaines de mesures : Le temps de « ringdown », exceptionnellement long, a permis à l'équipe de déterminer précisément le moment où l'énergie vibratoire du résonateur est passée de l'état 1 à l'état 0.
- Un qubit supraconducteur : Les coauteurs principaux Takuma Makihara et Erik Szakiel ont associé le résonateur à un qubit qui vérifiait régulièrement si le phonon était toujours présent, sans perturber le système.
« Nous avons constaté que des objets vibrants peuvent présenter un comportement quantique, ce qui est un prérequis à nombre des opérations nécessaires à l'informatique et à la détection quantiques », a déclaré Safavi-Naeini, selon Stanford.
Ce qu'a découvert eWeek : le contrôle est la véritable avancée
Cette expérience ne constitue pas la première preuve que le son peut présenter un comportement quantique.
Interesting Engineering a relevé que des études antérieures avaient déjà mis en évidence les sauts quantiques des phonons. L'avancée de Stanford réside dans la capacité à surveiller un système mécanique quantique avec suffisamment de précision pour identifier le moment exact où une excitation unique disparaît.
Stanford prend également soin de ne pas exagérer la portée de l'expérience pour les applications à court terme. L'université a décrit ces travaux comme une « première étape fondamentale », l'informatique quantique et la détection quantique demeurant des possibilités futures plutôt que des technologies abouties.
Domaine | Ce que l'expérience a démontré | Ce qui reste à accomplir |
| Sauts quantiques | Les chercheurs ont suivi en temps réel la variation de l'énergie d'un phonon, qui est passée de l'état 1 à l'état 0. | Appliquer la technique à des opérations quantiques plus complexes. |
| Correction des erreurs | Le système peut détecter le moment où survient un changement d'état quantique. | L'étude n'a pas démontré la correction d'erreurs elle-même. |
| Détection quantique | La plateforme résonateur-qubit permet d'effectuer des mesures mécaniques extrêmement sensibles. | Des applications telles que l'identification de protéines dans les cellules sont encore à l'étude. |
| Passage à l'échelle | Le résonateur peut être fabriqué à l'aide de techniques de fabrication de puces, et plusieurs unités pourraient tenir sur une seule puce. | Les chercheurs n'ont pas démontré de réseau à grande échelle ni de processeur commercial. |
La correction des erreurs quantiques constitue l'une des pistes à long terme les plus évidentes.
Phys.org a relevé que, dans de nombreuses architectures, un saut quantique indésirable peut représenter une erreur. Savoir précisément quand il se produit pourrait aider les chercheurs à identifier les défaillances et, à terme, à les corriger avant qu'un calcul ne soit perdu.
Le son quantique pourrait dépasser le cadre de l'informatique
La même plateforme pourrait servir de capteur ultr sensible. Le groupe de Safavi-Naeini travaille déjà avec des chercheurs de Caltech à l'utilisation de la technologie pour détecter et identifier des protéines à l'intérieur des cellules.
Les chercheurs de Stanford ont déclaré que la même approche pourrait à terme améliorer les appareils qui reposent sur des composants acoustiques, notamment les smartphones. Toute utilisation pratique dans des appareils grand public en est encore au stade de la recherche.
Pour l'instant, l'accomplissement le plus important réside dans la visibilité et le contrôle : les chercheurs peuvent observer un état quantique mécanique changer au moment où cela se produit, plutôt que d'inférer la transition après coup. Transformer cette capacité en correction d'erreurs pratique, en processeurs évolutifs ou en capteurs utiles constitue le prochain défi.
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