Des états quantiques d'ions oscillants produits pour la première fois

Depuis quelques décennies, les physiciens quantiques s'efforcent de réaliser un rêve : contrôler avec une telle précision des atomes individuels, des molécules ou d'autres particules minuscules obéissant aux lois de la physique quantique qu'il est possible de construire des ordinateurs d'un nouveau genre et d'autres machines avec eux. De nombreuses techniques de contrôle qui sont simples dans le monde classique des grandes choses quotidiennes deviennent toutefois extrêmement difficiles lorsqu'on essaie de les appliquer aux plus petits objets. Prenons par exemple une bille posée au fond d'un saladier. Pour faire osciller la bille dans le saladier, il suffit de secouer le saladier assez rapidement d'un côté et de l'autre. En raison de son inertie, la bille roulera dans le saladier vers le haut puis vers le bas, puis de l'autre côté vers le haut puis vers le bas, et ainsi de suite.

Joseba Alonso et Florian Leupold, postdoctorants dans le groupe du professeur de l'ETH Jonathan Home, et leurs collègues viennent de mettre au point une technique permettant d'obtenir l'équivalent d'une bille qui oscille avec des atomes individuels pris dans des champs électriques. Leurs résultats constituent un nouveau record pour les états quantiques oscillants de particules massives et pourraient être utiles pour accélérer les opérations d'un ordinateur quantique.

Au royaume de la physique quantique, un atome chargé électriquement (également connu sous le nom d'ion) qui oscille dans un "saladier" de champs électriques ne peut prendre que certains états de mouvement bien définis ou quantifiés, ordonnés en fonction de l'énergie comme les barreaux d'une échelle. Le barreau le plus bas de cette échelle correspond à un ion immobile (ou presque immobile, car les particules quantiques ont toujours un petit mouvement dit de "point zéro"). Jusqu'à présent, les expériences typiques visant à faire osciller un ion consistaient à diriger sur l'atome des rayons laser ou des champs électriques oscillants d'une certaine fréquence. Ceux-ci permettaient ensuite à l'ion de grimper lentement vers des états quantiques supérieurs. De cette manière, il a été possible de créer des états d'oscillation correspondant à peu près au centième échelon.

Problème de commutation résolu

Alonso et ses collègues ont choisi une autre méthode, à première vue beaucoup moins brutale, connue sous le nom de "bang-bang". Un champ électrique soudainement allumé a fait en sorte que la position du saladier électrique se déplace d'un côté. Cela a permis d'exciter l'ion à de fortes vibrations, tout comme la bille dans l'exemple ci-dessus. L'ion a pratiquement sauté directement sur le dix millième barreau de l'échelle des états quantiques. "Cette technique du bang-bang peut produire très efficacement des états quantiques hautement excités, mais jusqu'à présent, sa mise en œuvre pratique posait des problèmes techniques", explique Alonso. La commutation rapide des champs électriques dans l'appareil à vide dans lequel se trouve l'ion piégé représentait un défi particulier.

L'équipe du professeur Home a résolu ce problème en plaçant un interrupteur numérique à l'intérieur de l'appareil, très près de l'ion. Cela a permis de commuter les champs électriques de piégeage en quelques milliardièmes de seconde, et donc de déplacer le bol beaucoup plus rapidement que l'ion ne peut réagir - c'est-à-dire plus rapidement que la durée d'une oscillation complète de l'ion dans le bol.

Accélérer le transport des ions

Pour prouver que l'ion se trouvait effectivement dans un état quantique bien défini après le premier "bang", les chercheurs ont effectué un test dans lequel un deuxième "bang" était utilisé après une période d'oscillation. Cela devait permettre à l'ion d'être capturé exactement dans sa position initiale et de rester ensuite immobile. L'ion a passé le test avec succès, démontrant ainsi que la cohérence était maintenue tout au long de la procédure et que la nouvelle technique de contrôle expérimental était suffisamment précise pour étudier les effets quantiques.

La méthode que viennent de démontrer les physiciens de l'ETH pourrait par exemple accélérer le transport des ions dans un ordinateur quantique, qui constituait jusqu'à présent un goulot d'étranglement dans la vitesse globale d'un tel ordinateur. Les états quantiques oscillants des ions, dont le nombre est presque illimité, pourraient en outre constituer une alternative à l'approche standard du traitement de l'information quantique, dans laquelle seuls deux états d'énergie internes (bits quantiques) sont utilisés pour effectuer des calculs qui ne sont pas réalisables sur les ordinateurs classiques actuels.

Test d'interaction avec la lumière

Sur un plan plus fondamental, ces états d'oscillation géants sont aussi parfaitement adaptés pour tester la manière dont les états quantiques étendus interagissent avec la lumière. "Il existe certes des calculs théoriques à ce sujet", explique Alonso, "mais ils n'avaient jamais été vérifiés avec des états qui, comme les nôtres, sont beaucoup plus grands que la longueur d'onde du laser. Avec la nouvelle technique, nous pouvons maintenant confirmer les calculs avec une grande précision".

La possibilité de produire à la fois de petits et de très grands états de mouvement d'un ion aidera en outre les chercheurs à comprendre ce qui se passe à la frontière entre le monde quantique et le monde classique.