Convertisseur Quantique Nanomécanique – QuNaT

Les réseaux d’information quantique pourraient révolutionner la façon dont nous traitons et manipulons l’information en exploitant la nature quantique du porteur physique des données. Ceci repose toutefois sur un double défi : d’une part, réaliser des portes quantiques de grande fidélité en couplant des systèmes quantiques individuels extrêmement bien isolés de leur environnement, et d’autre part, être capable de stocker et de transporter des bits quantiques sur des temps longs et des distances importantes. Malgré les difficultés techniques, nous sommes en passe d’accomplir ces prouesses : le domaine des circuits quantiques supraconducteurs permet aujourd’hui de réaliser des portes quantiques efficaces et rapides. Ce système constitue le candidat le plus prometteur pour le développement de « processeurs quantiques » intégrables. Par ailleurs, les photons optiques, se propageant sur des dizaines de kilomètres dans des fibres optiques à température ambiante, et qui interagissent fortement avec la matière, sont les candidats de choix pour le transfert et le stockage de l’information quantique. L’existence de systèmes commerciaux de communication quantique fibrée est un témoignage de la maturité du domaine. Ainsi, rendre compatible ces deux technologies, c’est-à-dire transférer l’information quantique entre photons micro-onde dans un cryostat et photons optiques pouvant se propager apparaît comme l’un des défis technologiques clés de la prochaine décennie.

Ce projet vise à réaliser un tel lien quantique en couplant un résonateur nanomécanique simultanément à un champ micro-onde et un champ optique. L’effet mécanique de la lumière sur ce genre de résonateurs a fait l’objet d’un intense effort de recherche au cours des dix dernières années. Le domaine de l’optomécanique, amorcé par quelques équipes dont le groupe « Mesure et Bruits Fondamentaux » du LKB a littéralement explosé en une myriade de groupes talentueux visant à observer des effets quantiques de la pression de radiation sur un éventail varié de plateformes expérimentales. Tous ces systèmes exploitent la pression de radiation pour contrôler la dynamique d’un degré de liberté mécanique en le couplant à une cavité de haute finesse. Cet effort a culminé récemment dans l’observation d’un résonateur refroidi par pression de radiation jusque dans son état quantique fondamental. De façon remarquable, ce but a été atteint avec des résonateurs couplés aussi bien à des photons micro-ondes qu’à des photons optiques. Par ailleurs, cette prouesse prouve indiscutablement que le couplage entre degrés de liberté optique et mécanique excède le taux de décohérence thermique. Dans ce régime, l’interaction optomécanique peut être utilisée pour échanger réversiblement l’état quantique des systèmes optique et mécanique. Le présent projet exploite les dernières avancées du domaine de l’optomécanique quantique pour réaliser une conversion photon-phonon-photon des domaines microonde vers optique. Pour atteindre un couplage suffisant entre degré de liberté optique, mécanique, et microonde, nous allons adopter un design « tout-intégré » : une nanomembrane de très faible masse et grand facteur de qualité sera suspendue au-dessus d’un miroir de Bragg obtenu par croissance épitaxiale. Nous utiliserons le couplage capacitif universel entre la membrane diélectrique et une cavité supraconductrice coplanaire pour réaliser le système optomécanique micro-onde. L’expertise du LKB dans la réalisation de microcavités optiques de grande finesse et leur opération en milieu cryogénique sera un atout essentiel pour le succès de cet ambitieux projet.
Ce projet aura certainement un retentissement important dans des domaines de recherches actifs et variés, tels que les systèmes nano-électromécaniques ou la communauté de l’ingénierie et de l’information quantique. D’autres retombées attendues sont le développement de senseurs électromécaniques avec lecture optique directe permettant d’atteindre une sensibilité inégalée.