Une plate-forme pour un réseau de 36 dispositifs de résonateurs mécaniques. Un nano-résonateur est fabriqué et connecté électriquement à l’une des sections de ce réseau. Les pièces entières sont ensuite placées dans le cryostat pour les mesures. Crédit : ICFO
Le traitement de l’information quantique (IQ) peut révolutionner la technologie en offrant une puissance de calcul, une sécurité et une sensibilité de détection inégalées.
Les qubits, unités matérielles fondamentales pour l’information quantique, sont la pierre angulaire des ordinateurs quantiques et du traitement de l’information quantique. Toutefois, le débat sur les types de qubits les plus performants n’est pas clos.
La recherche et le développement dans ce domaine se développent à un rythme effréné pour déterminer quel système ou quelle plate-forme surpasse l’autre. Pour n’en citer que quelques-unes, des plateformes aussi diverses que les jonctions Josephson supraconductrices, les ions piégés, les qubits topologiques, les atomes neutres ultra-froids ou même les cavités du diamant constituent le zoo des possibilités de fabrication de qubits.
Jusqu’à présent, seule une poignée de plateformes de qubits ont démontré leur potentiel pour l’informatique quantique, marquant la liste de contrôle des portes contrôlées de haute fidélité, du couplage qubit-qubit facile, et d’une bonne isolation de l’environnement, ce qui signifie une cohérence suffisamment durable.
Les résonateurs nanomécaniques peuvent faire partie de la poignée de plates-formes. Ce sont des oscillateurs, comme les ressorts et les cordes (par exemple, les guitares) qui, lorsqu’ils sont actionnés, créent des sons harmoniques ou anharmoniques en fonction de la force de l’entraînement. Mais que se passe-t-il lorsque l’on refroidit un nano-résonateur à une température égale au zéro absolu ?
De gauche à droite : Adrian Bachtold, professeur à l’ICFO et chef de groupe, Christoffer Moller, Chandan Samanta, Sergio Lucio de Bonis et Roger Tormo-Queralt dans l’un des laboratoires du groupe à l’ICFO. Crédit : ICFO
Les niveaux d’énergie de l’oscillateur sont quantifiés et le résonateur vibre avec son mouvement caractéristique du point zéro. Le mouvement du point zéro découle du principe d’incertitude d’Heisenberg. En d’autres termes, un résonateur conserve son mouvement même lorsqu’il est à l’état fondamental. La réalisation d’un qubit mécanique est possible si les niveaux d’énergie quantifiés d’un résonateur ne sont pas régulièrement espacés.
Le défi consiste à maintenir les effets non linéaires suffisamment importants dans le régime quantique, où le déplacement du point zéro de l’oscillateur est minuscule. Si l’on y parvient, le système peut être utilisé comme un qubit en le manipulant entre les deux niveaux quantiques les plus bas sans l’entraîner dans des états d’énergie plus élevés.
Depuis de nombreuses années, la réalisation d’un système de qubit à l’aide d’un nanorésonateur mécanique suscite beaucoup d’intérêt. En 2021, Fabio Pistolesi (Univ. Bordeaux-CNRS), Andrew N. Cleland (Univ. Chicago) et le professeur Adrian Bachtold de l’ICFO ont établi un concept théorique solide de qubit mécanique, basé sur un résonateur nanotube couplé à un double point quantique dans un régime de couplage ultralong.
Ces résultats théoriques ont prouvé que ces résonateurs nanomécaniques pouvaient effectivement devenir des candidats idéaux pour les qubits. Pourquoi ? Parce qu’ils se caractérisent par de longs temps de cohérence, une condition sine qua non pour l’informatique quantique.
Compte tenu du fait que nous disposions d’un cadre théorique, le défi consistait maintenant à fabriquer un qubit à partir d’un résonateur mécanique et à trouver les conditions et les paramètres appropriés pour contrôler les non-linéarités du système.
Après plusieurs années de travail acharné sur ces systèmes, le défi de la réalisation expérimentale a donné son premier feu vert, qui a été très bien accueilli. Dans une étude récente publiée dans Nature Physics, les chercheurs de l’ICFO Chandan Samanta, Sergio Lucio de Bonis, Christoffer Moller, Roger Tormo-Queralt, W. Yang, Carles Urgell, dirigés par le professeur de l’ICFO Adrian Bachtold, en collaboration avec les chercheurs B. Stamenic et B.Thibeault de l’Université de Californie Santa Barbara, Y. Jin de l’Université Paris-Saclay-CNRS, D.A. Czaplewski de l’Argonne National Laboratory, et F. Pistolesi de l’Univ. Bordeaux-CNRS ont réalisé les premières étapes pré-expérimentales pour la réalisation future d’un qubit mécanique en démontrant un nouveau mécanisme pour stimuler l’anharmonicité d’un oscillateur mécanique dans son régime quantique.
Plate-forme pour un réseau de 36 résonateurs mécaniques. Crédit : ICFO
L’expérience : Ingénierie de l’anharmonicité près de l’état fondamental
L’équipe de chercheurs a fabriqué un nanotube suspendu d’environ 1,4 micromètre de long, dont les extrémités sont accrochées aux bords de deux électrodes. Ils ont défini un point quantique, qui est un système électronique à deux niveaux sur le nanotube vibrant, en créant électrostatiquement des jonctions tunnel aux deux extrémités du nanotube suspendu.
Ensuite, en ajustant la tension sur l’électrode de grille, ils ont permis le flux d’un seul électron à la fois sur le nanotube. Le mouvement mécanique du nanotube a alors été couplé à l’électron unique dans le régime d’effet tunnel de l’électron unique. Ce couplage électromécanique a créé une anharmonicité dans le système mécanique.
Ils ont ensuite abaissé la température jusqu’à mK (milikelvins, presque le zéro absolu) et sont entrés dans un régime de couplage ultra-fort où chaque électron supplémentaire sur le nanotube a déplacé la position d’équilibre du nanotube en l’éloignant de son amplitude au point zéro.
Avec une amplitude d’un facteur 13 seulement par rapport au mouvement du point zéro, ils ont pu remarquer ces vibrations non linéaires. Les résultats sont étonnants, car les vibrations présentes dans d’autres résonateurs, refroidis à l’état fondamental quantique, ne se sont révélées non linéaires qu’à des amplitudes environ 106 fois supérieures au mouvement du point zéro.
Ce nouveau mécanisme fait preuve d’une physique remarquable car, contrairement à ce qui était attendu, l’anharmonicité augmente à mesure que les vibrations sont refroidies pour se rapprocher de l’état fondamental. C’est exactement le contraire de ce qui a été observé dans tous les autres résonateurs mécaniques jusqu’à présent.
Comme le souligne le premier auteur, Chandan Samanta, « lorsque les chercheurs ont commencé à étudier les résonateurs nanomécaniques, une question récurrente était de savoir s’il serait possible d’obtenir des non-linéarités dans les vibrations qui se trouvent dans l’état fondamental quantique. Certains chercheurs de premier plan dans ce domaine ont affirmé qu’il s’agirait d’un exploit difficile en raison des limitations technologiques, et ce point de vue est resté le paradigme accepté jusqu’à aujourd’hui. Dans ce contexte, notre travail représente une avancée conceptuelle significative car nous démontrons que les vibrations non linéaires dans le régime quantique sont effectivement réalisables. Nous sommes convaincus que les effets non linéaires auraient pu être encore améliorés en se rapprochant de l’état fondamental quantique, mais nous avons été limités par la température de notre cryostat actuel. Notre travail fournit une feuille de route pour obtenir des vibrations non linéaires dans le régime quantique ».
Contrairement à ce qui a été observé jusqu’à présent dans d’autres résonateurs mécaniques, l’équipe de chercheurs a trouvé une méthode pour augmenter l’anharmonicité d’un oscillateur mécanique près de son régime quantique. Les résultats de cette étude posent les premiers jalons pour le développement futur de qubits mécaniques ou même de simulateurs quantiques.
Comme le remarque Adrian Bachtold, « il est remarquable que nous soyons entrés dans un régime de couplage ultra-fort et que nous ayons observé une forte anharmonicité dans le résonateur. Mais le taux d’amortissement devient important à basse température en raison du couplage du résonateur à un point quantique. Dans les expériences futures qui ciblent les états cat et les qubits mécaniques, il sera avantageux de coupler les vibrations des nanotubes à un double point quantique, car cela permet d’obtenir de fortes non-linéarités ainsi que des états mécaniques de longue durée. L’amortissement provenant de l’électron dans le point quantique double est supprimé de manière exponentielle à basse température, de sorte qu’il devrait être possible d’atteindre un taux d’amortissement de 10 Hz mesuré dans les nanotubes à basse température ».
Référence : « Nonlinear nanomechanical resonators approaching the quantum ground state » par C. Samanta, S. L. De Bonis, C. B. Møller, R. Tormo-Queralt, W. Yang, C. Urgell, B. Stamenic, B. Thibeault, Y. Jin, D. A. Czaplewski, F. Pistolesi et A. Bachtold, 8 juin 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02065-9`