Fonctions d'onde électroniques nonlocales réalisées dans des circuits supraconducteurs – NEWS

En mécanique quantique, une particule ou un ensemble de particules est décrit par des fonctions d'onde, qui peuvent en principe se propager sur des distances arbitrairement grandes. Cette non-localité est une spécificité de la mécanique quantique qui n'a pas d'équivalent en physique classique. Pour Einstein et d'autres, la non-localité était un artefact de la mécanique quantique en raison de son caractère incomplet, tandis que pour Schrödinger, elle était "magique" parce que l'on pouvait influencer un objet à distance. Cela signifie que l’on peut agir sur le système en un point de l'espace et en mesurer les conséquences ailleurs.
De nos jours, des progrès considérables ont été réalisés dans le contrôle des objets quantiques non locaux, ce qui a conduit à des percées inimaginables pour les technologies quantiques. La séparation de la fonction d'onde de paires de photons intriqués a permis d'effectuer une distribution sécurisée de clés quantiques par satellite et même une téléportation quantique sur des milliers de kilomètres. Contrairement à ce que cette évolution incroyable pourrait laisser croire, un effort important est toujours en cours pour comprendre la non-localité à un niveau plus fondamental. La démonstration expérimentale qu'un paquet d'onde photonique séparé dans les deux bras d'un interféromètre est non local n'a été réalisée que récemment en testant « l’action fantôme à distance » d'Einstein.
La plupart de ces expériences ont été menées avec des photons, et la question de savoir comment des particules chargées, comme les électrons, peuvent être non locales est encore une source de controverse dans la communauté scientifique. Au-delà de l'intérêt fondamental que de telles questions soulèvent inévitablement, les réponses seront cruciales pour le développement de nouvelles ressources pour les circuits quantiques maintenant que ces derniers entrent dans une ère d'ingénierie quantique. Si nous suivons le même chemin que pour les photons, transformer la non-localité des électrons en une ressource nécessitera la capacité d'émettre et de détecter des excitations électroniques uniques se propageant sur une mer de Fermi, un défi technique que le domaine de l'optique quantique électronique tente actuellement de relever. Je propose une voie alternative utilisant des circuits supraconducteurs hybrides.
Dans NEWS, j'ai l'intention de concevoir des fonctions d’onde électroniques non locales dans des circuits supraconducteurs en suivant deux stratégies différentes mais étroitement liées : le polyacétylène d'Andreev (AnPoly) et la chaîne de Kitaev (KitC). Dans les deux cas, comme dans un supraconducteur, l'état fondamental est constitué de paires d'électrons, les paires de Cooper, qui assurent naturellement la cohérence et l’intrication électroniques. Mes circuits sont conçus pour générer des fonctions d'ondes électroniques non locales en connectant en série des électrodes supraconductrices avec un nanotube de carbone. AnPoly et KitC conduisent à deux types différents d'états électroniques non locaux : l'un est une paire de Cooper qui se trouve en superposition quantique à chaque extrémité du circuit (AnPoly), tandis que l'autre est constitué de deux électrons intriqués qui sont séparés à chaque extrémité de la chaîne (KitC) en une paire de Cooper très étalée.
Ces deux systèmes sont censés présenter un effet Josephson non local, qui reste essentiellement inexploré sur le plan expérimental, mais ces architectures ambitieuses à base de nanotubes devraient permettre de faire le bond en avant nécessaire pour révéler cette aire inconnu de la supraconductivité mésoscopique. Ces systèmes pourraient être utilisés pour mettre en œuvre un nouveau type de bits quantiques avec des protections intrinsèques fournies par des règles de sélection spécifiques à ces fonctions d'onde non locales. NEWS ouvrira également la voie à la réalisation d'opérations non locales sur puce telles que la téléportation d'électrons au sens de Liang Fu.