Corrélations quantiques entre oscillateurs mécaniques via une interférométrie SU(1,1)
Contexte
Ce travail se situe à la marge de la carte des corrélations quantiques : un seul autre article traite de l'intrication quantique comme géométrie, et les voisins sont lointains. Autour, on sait déjà créer de l'intrication entre oscillateurs nanomécaniques, mais des corrélations plus fortes que l'intrication, c'est-à-dire du steering, n'avaient encore jamais été observées en variables continues. Cette étude comble ce vide en s'appuyant sur une plateforme d'acoustique quantique de circuit avec deux résonateurs et un qubit.
Méthodes
Deux résonateurs à ondes acoustiques volumiques (HBAR) en nitrure d'aluminium sur saphir sont couplés à un qubit transmon. Deux tons micro-ondes dont les fréquences satisfont la condition ω1+ω2=ωa+ωb excitent paramétriquement le qubit, ce qui, via la non-linéarité, produit une compression effective à deux modes entre les modes de phonons. Pour détecter les corrélations, un interféromètre SU(1,1) a été réalisé : une première compression prépare l'état, une seconde, avec un déphasage, le lit par mesure de la population de phonons. La calibration de la vitesse de compression s'est faite à partir de la croissance du nombre moyen de phonons, et la phase de l'interféromètre a été réglée pour minimiser le critère EPR.
Résultats
Le critère EPR de steering E(φ) a été mesuré et est descendu sous 1 à tTMS2≈11 µs. Le minimum a atteint 0.90 avec une confiance de 99% pour la direction B→A et de 98% pour A→B, ce qui signifie un steering bidirectionnel. Chaque oscillateur a une masse effective d'environ 16 µg, soit environ $10^{17}$ atomes. Les franges d'interférence ont montré une sensibilité à la phase, et la comparaison avec la référence du vide a confirmé la nature quantique des corrélations.
Implications
Contrairement aux travaux voisins, qui étudiaient l'intrication ou la géométrie, on démontre ici pour la première fois, dans des systèmes mécaniques macroscopiques, des corrélations plus fortes que l'intrication en variables continues. Cela élargit la boîte à outils de l'acoustique quantique de circuit et montre que les effets quantiques persistent à l'échelle de $10^{17}$ atomes. Le résultat est important pour sonder la frontière entre les mondes quantique et classique.
Développements futurs
La téléportation quantique d'états continus du mouvement entre oscillateurs mécaniques devient envisageable, tout comme la création de réseaux quantiques à nœuds mécaniques. Le développement de méthodes de contrôle des modes de phonons dans les HBAR permettra de réaliser des calculs quantiques bosoniques et des simulations de chimie quantique. Le steering pourrait potentiellement servir à la cryptographie quantique unidirectionnelle avec des clés mécaniques.
Impact
Communication quantique, calcul quantique, mesures de précision.
Prochaines étapes
Augmenter le degré de compression et réduire les pertes pour une violation plus forte du critère. Réaliser la téléportation d'un état quantique entre deux oscillateurs.
Problèmes ouverts clés
Pour l'acoustique quantique, la question de l'échelle maximale de la quanticité macroscopique et du rôle de la décohérence dans de tels systèmes reste ouverte. Ce travail relie directement les corrélations quantiques à la perte de cohérence, ce qui est essentiel pour comprendre la transition vers un comportement classique.
La masse de chaque oscillateur, 16 microgrammes, est comparable à celle d'un grain de sel, et les corrélations entre eux sont plus fortes que ne l'autorise n'importe quel modèle classique.
L'idée d'intrication quantique d'objets macroscopiques est exploitée dans la nouvelle de Ted Chiang « L'Histoire de ta vie », où la perception non linéaire du temps est liée à la non-localité quantique.
Chiffres clés
- masse de l'oscillateur: 16 µg
- nombre d'atomes dans l'oscillateur: ~1017
- confiance du steering B→A: 99%
- confiance du steering A→B: 98%
- vitesse de compression gTMS: jusqu'à 20 kHz