Nano Mécanique Quantique – QNM

Les physiciens ont créé la mécanique quantique principalement pour expliquer les propriétés des objets microscopiques comme les atomes. Etonnamment, la théorie élaborée au cours de la première moitié du 20e siècle traite sur un pied d’égalité tous les degrés de liberté, et rien, en principe, n’interdit à un objet macroscopique de se comporter quantiquement. De fait, depuis les années 80, les physiciens ont réussi à amener des objets non-microscopiques, en particulier de petits circuits électriques supraconducteurs, dans le régime quantique. Mais une question très importante vient juste d’être abordée: est-ce qu’un objet mécanique macroscopique suit les lois de la mécanique quantique? Est-il possible de préparer un objet mécanique dans une superposition de deux états qui sont distinguables à l’échelle macroscopique? Le but de ce projet est de réaliser, contrôler et détecter des oscillateurs mécaniques ‘macroscopiques et massifs’ dans le régime quantique. Cette recherche va également donner un fort élan à une nouvelle classe de systèmes mécaniques à la limite quantique, en particulier pour la détection de force.

Un oscillateur mécanique nanoscopique présente des degrés de liberté collectifs de position comprenant des milliards d’atomes, et qui peuvent être déplacés sur des distances grandes par rapport à l’échelle atomique. Leur petite taille fournit des fréquences de résonance dans la gamme 100MHz–1GHz, permettant d’atteindre le régime quantique autour du milliKelvin. L’originalité de notre projet est d’atteindre la limite quantique en utilisant le dispositif à ces températures ultra-froides, ce qui évite le recours aux méthodes de refroidissement actifs délicates.

Ce type d’oscillateurs mécaniques est excité et mesuré électriquement. Ces Systèmes Nano Electro Mécaniques (NEMS) possédant une poutre mobile, intégré dans une cavité micro-onde accordable, seront tout d’abord refroidis dans leur état fondamental à l’aide de techniques cryogéniques de pointe. Leur état quantique sera alors manipulé en les couplant à un système électrique à deux niveaux, c’est-à-dire un bit quantique ‘Transmon’ intégré dans la même cavité. En effet, le contrôle quantique d’un oscillateur harmonique nécessite de le coupler à un élément non-linéaire si l’on désire produire des états non-classiques de l’oscillateur, ce qui est l’un des buts principaux dans ce domaine. Nous exploiterons pour cela les techniques micro-ondes de pointe développées pour les expériences sur les bits quantiques.

Le projet rassemble l’expertise de différents groupes, pour surmonter d’une manière originale les principaux verrous:
-En refroidissant les oscillateurs mécaniques à ultra-basse températures, pour les préparer dans leur état fondamental sans recours à des méthodes actives.
-En manipulant et mesurant ces oscillateurs en les couplant à des bits quantiques, exploitant ainsi des méthodes de fabrication et de mesure empruntées à la physique des bits quantiques supraconducteurs.
-En modélisant le système et en obtenant une compréhension détaillée permettant le fonctionnement des dispositifs et l’analyse des résultats.
-En sondant si de tels systèmes mécaniques sont bien décrits par la mécanique quantique, et si des théories alternatives peuvent être testées.

L’état de l’art dans le domaine des systèmes mécaniques quantiques est représenté par le travail de quelques groupes, presque tous aux US (K. Schwab CalTech, K. Lehnert JILA, A. Cleland & J. Martinis UCSB). Une étape cruciale dans ce champ de recherche est de produire et détecter des superpositions quantiques d’état de position de l’oscillateur qui soient macroscopiquement distincts. On doit s’attendre à ce que l’obtention d’un tel degré de contrôle sur un système quantique macroscopique ait des applications importantes dans le domaine des détecteurs fonctionnant à la limite quantique, en particulier pour sonder les propriétés mécaniques de très petits objets, potentiellement aussi petit qu’une molécule.