Un pont entre les mondes : l'intrication de résonateurs mécaniques aux fréquences très différentes
Un interprète qui se laisse distraire par le moindre bruit dans la salle, et une réunion d'une heure se transforme en deux heures. C'est à peu près le problème qui se pose lorsqu'il faut relier deux résonateurs mécaniques vibrant à des fréquences très différentes. L'un oscille un million de fois par seconde (mégahertz), l'autre un milliard (gigahertz). Le premier est idéal pour stocker longtemps de l'information quantique, le second pour traiter vite et résister au bruit thermique. Mais comment transmettre entre eux une liaison quantique invisible, s'ils « parlent » à des vitesses totalement différentes ?
Les physiciens ont trouvé la réponse dans la lumière. La lumière est un interprète universel : elle peut « écouter » le résonateur lent et « chuchoter » à l'oreille du rapide. Dans le premier schéma, un laser refroidit le résonateur lent (mégahertz) tout en l'intriquant avec une particule de lumière. Cet état intriqué voyage le long d'un guide d'ondes optique jusqu'au système voisin, où un autre laser le transfère sur le résonateur rapide (gigahertz). Le point clé est une triple résonance : trois ondes (lumière, son et encore de la lumière) coïncident en fréquence et s'amplifient mutuellement, comme trois voix qui chantent la même note.
Dans le second schéma, l'itinéraire s'inverse. Une brève impulsion laser crée un état comprimé entre le résonateur rapide et l'impulsion lumineuse. Cette impulsion se propage dans la fibre, et à l'autre bout, une impulsion laser rouge transfère l'intrication au résonateur lent. Les calculs montrent que même avec des pertes dans la fibre optique allant jusqu'à 50 %, l'intrication survit. Avec des pertes typiques de 0,2 dB/km, la distance entre les nœuds peut atteindre plusieurs dizaines de kilomètres.
On pensait auparavant qu'il était impossible de relier des nœuds dont les fréquences diffèrent de plusieurs centaines de fois : l'écart était trop grand. Ce travail montre pour la première fois un mécanisme concret de transfert d'intrication entre les domaines du mégahertz et du gigahertz. On peut désormais combiner des résonateurs lents, à longue durée de vie, pour le stockage, et des résonateurs rapides pour le traitement. La prochaine étape consiste à tester le schéma en laboratoire, puis sur une véritable fibre optique.
L'interprète entre deux vitesses de parole est trouvé : c'est la lumière, capable de s'adapter à ses deux interlocuteurs. Et la réunion qui semblait sans espoir peut maintenant se dérouler sans perte de sens.
Les résonateurs mécaniques utilisés dans de telles expériences peuvent avoir la taille d'un cheveu humain, tout en se comportant comme des objets quantiques. Leurs vibrations sont refroidies jusqu'à l'état fondamental, où le mouvement thermique disparaît presque totalement.
L'idée d'un réseau quantique réunissant des oscillateurs mécaniques rappelle l'« ansible » des romans d'Ursula Le Guin, un dispositif de communication instantanée fondé sur l'intrication. En réalité, toutefois, la transmission de l'information reste limitée par la vitesse de la lumière.