Acoustique quantique avec des systèmes hybrides optomécaniques intégrant une boîte quantique – AQOUSTIQS

L'acoustique quantique – le contrôle du mouvement mécanique à l’échelle du phonon unique – est un domaine en pleine expansion. Elle aborde des questions très fondamentales, comme l'exploration de la frontière entre les mondes classique et quantique. Elle est également porteuse d’applications potentielles : les phonons uniques pourraient constituer un nouveau moyen de distribuer de l’information sur une puce. Dans ce contexte très dynamique, le couplage d’un oscillateur mécanique à un système à deux niveaux est une stratégie très prometteuse pour obtenir un contrôle ultime sur le mouvement mécanique. De plus, la réalisation d'un tel système nanomécanique hybride avec un atome artificiel optiquement actif ouvre des possibilités uniques, notamment un accès direct à la statistique des phonons. En pratique, il est nécessaire d’atteindre le régime de couplage fort tout en maitrisant la décohérence thermique de l’oscillateur mécanique, deux défis considérables.

Notre consortium a apporté des contributions pionnières au domaine, en s’appuyant sur un système hybride basé sur une boîte quantique semiconductrice couplée par contrainte à un microfil vibrant. Très récemment, nous sommes parvenus à induire une vibration du microfil à partir de l'excitation optique résonnante d'une seule boîte quantique. Dans cette expérience délicate, le système reste cependant très loin du couplage fort et la vibration induite est de nature purement classique. D’autre part, la faible fréquence du résonateur (en dessous du MHz) impose des temps d’intégration très longs pour moyenner les fluctuations thermiques. La génération optique d'états quantiques du mouvement reste donc aujourd’hui un défi majeur, qui appelle une nouvelle génération de dispositifs, aux performances massivement améliorées.

Le projet AQOUSTIQS vise à réaliser des systèmes hybrides couplés par contrainte opérant largement dans le régime quantique. Pour permettre une manipulation optique cohérente, la fréquence mécanique et la constante de couplage seront toutes deux portées au-dessus du taux d’émission radiatif de la boîte quantique (~160 MHz). Afin de maximiser nos chances de succès, nous explorerons deux stratégies distinctes. (1) Nous ferons tout d’abord évoluer la génération actuelle de systèmes à microfils. En effet, grâce à une nouvelle technique d’actuation, notre consortium a mis en évidence dans ces derniers des modes de vibration à faibles pertes, avec une fréquence approchant d’ores et déjà le GHz. (2) En parallèle nous développerons une nouvelle hétérostructure acoustique permettant de confiner un mode résonant à 10 GHz avec un très haut facteur de qualité. Pour nos premiers pas dans le domaine de l'optomécanique hybride quantique, nous préparerons des états de Fock mécaniques à un phonon. Grâce à une transduction phonon-vers-photon intégrée, la nature quantique de cet état mécanique sera directement mise en évidence à l'aide de techniques d'optique quantique éprouvées. Nous démontrerons également l'échange élémentaire de phonons uniques entre deux boîtes quantiques intégrées dans le même résonateur.

En chemin vers ces objectifs, le projet AQOUSTIQS abordera plusieurs questions fondamentales, notamment la nature des processus de bruit affectant les boîtes quantiques à l’échelle du phonon unique. Une fois terminé, AQOUSTIQS aura établi les bases d’un lien mécanique entre plusieurs boîtes quantiques. D’un point de vue technologique, ce projet donnera aussi naissance à une interface cohérente entre des photons propagatifs et un résonateur mécanique, avec des applications possibles aux technologies quantiques de l’information.