Un chef d'orchestre dirige un orchestre de milliards de musiciens tout en entendant chacun individuellement. C'est à peu près le défi que relèvent les physiciens lorsqu'ils tentent de faire cohabiter la lumière et les spins des électrons dans un solide. Le nouveau résonateur décrit dans l'étude franchit un premier pas : il fait osciller en cadence une immense quantité d'objets quantiques identiques, puis écoute discrètement leur chœur sans les faire perdre le rythme.
Le dispositif est une cavité tridimensionnelle en métal supraconducteur, à l'intérieur de laquelle se trouve un diamant avec des défauts particuliers — des lacunes d'azote. Ces défauts se comportent comme de minuscules aimants capables de stocker de l'information quantique. Le résonateur est conçu de sorte que ses deux modes (deux types différents d'oscillations électromagnétiques) occupent le même espace mais s'influencent à peine. Un mode sert au contrôle collectif des spins, l'autre, réglé sur une fréquence différente, à la lecture de leur état. Grâce à la symétrie géométrique, les champs à l'intérieur de la cavité sont très homogènes, de sorte que tous les spins ressentent la même influence.
À une température de 28 millikelvins (cent fois plus froid que dans l'espace interstellaire), les chercheurs ont observé un fort couplage collectif entre le mode du résonateur et l'ensemble des spins. La force de couplage a atteint 5 mégahertz — c'est comme si un chef d'orchestre pouvait diriger un stade entier sans perdre le contact avec aucun musicien. De plus, la lecture s'est révélée non destructive : la mesure n'efface pas l'état quantique, elle ne fait que le perturber légèrement. C'est crucial pour les futurs ordinateurs quantiques, où l'information doit être vérifiée à plusieurs reprises sans être endommagée.
La compacité de la conception et la possibilité d'ajuster le couplage font de ce résonateur un bloc de construction pratique pour les systèmes hybrides où la lumière et la matière échangent de l'information quantique. À l'avenir, de tels dispositifs pourraient aider à créer des répéteurs quantiques pour les communications à longue distance ou des interfaces entre différents types de qubits.
La température de 28 millikelvins à laquelle le résonateur a fonctionné n'est que légèrement au-dessus du zéro absolu. À cette température, les vibrations thermiques sont presque figées et les effets quantiques deviennent prépondérants.