Comment la division du son pourrait conduire à un nouveau type d’ordinateur quantique

Lorsque vous allumez une lampe pour éclairer une pièce, vous ressentez une énergie lumineuse transmise sous forme de photons, qui sont de petits paquets d’énergie quantiques discrets. Ces photons doivent obéir aux lois parfois étranges de la mécanique quantique, qui, par exemple, dictent que les photons sont indivisibles, mais permettent en même temps à un photon de se trouver à deux endroits à la fois.

Semblables aux photons qui composent les faisceaux de lumière, les particules quantiques indivisibles appelées phonons constituent un faisceau sonore. Ces particules émergent du mouvement collectif de quadrillions d’atomes, tout comme une « vague de stade » dans une arène sportive est due au mouvement de milliers de supporters individuels. Lorsque vous écoutez une chanson, vous entendez un flux de ces très petites particules quantiques.

Conçus à l’origine pour expliquer les capacités thermiques des solides, les phonons devraient obéir aux mêmes règles de la mécanique quantique que les photons. La technologie permettant de générer et de détecter des phonons individuels est cependant à la traîne par rapport à celle des photons.

Cette technologie n’est développée que maintenant, en partie par mon groupe de recherche de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago. Nous explorons les propriétés quantiques fondamentales du son en divisant les phonons en deux et en les enchevêtrant.

Les recherches fondamentales de mon groupe sur les phonons pourraient un jour permettre aux chercheurs de construire un nouveau type d'ordinateur quantique, appelé ordinateur quantique mécanique.

Pour explorer les propriétés quantiques des phonons, notre équipe utilise des miroirs acoustiques, capables de diriger des faisceaux sonores. Nos dernières expériences, publiées dans un numéro récent de Science, impliquent toutefois de « mauvais » miroirs, appelés séparateurs de faisceaux, qui réfléchissent environ la moitié du son envoyé vers eux et laissent passer l’autre moitié. Notre équipe a décidé d'explorer ce qui se passe lorsque nous dirigeons un phonon vers un séparateur de faisceau.

Comme un phonon est indivisible ; il ne peut pas être divisé. Au lieu de cela, après avoir interagi avec le séparateur de faisceau, le phonon se retrouve dans ce qu’on appelle un « état de superposition ». Dans cet état, le phonon est, quelque peu paradoxalement, à la fois réfléchi et transmis, et vous avez la même probabilité de détecter le phonon dans l'un ou l'autre état. Si vous intervenez et détectez le phonon, vous mesurerez la moitié du temps qu'il a été réfléchi et la moitié du temps qu'il a été transmis ; en un sens, l'état est sélectionné au hasard par le détecteur. En l'absence du processus de détection, le phonon restera dans l'état de superposition, à la fois transmis et réfléchi.

Cet effet de superposition a été observé il y a de nombreuses années avec les photons. Nos résultats indiquent que les phonons ont la même propriété.

Après avoir démontré que les phonons peuvent se superposer comme les photons, mon équipe a posé une question plus complexe. Nous voulions savoir ce qui se passerait si nous envoyions deux phonons identiques dans le séparateur de faisceau, un dans chaque direction.

Il s’avère que chaque phonon entrera dans un état de superposition similaire, à moitié transmis et à moitié réfléchi. Mais en raison de la physique du séparateur de faisceau, si nous chronométrons les phonons avec précision, ils interféreront les uns avec les autres de manière quantique. Ce qui émerge est en fait un état de superposition de deux phonons allant dans un sens et de deux phonons allant dans l’autre – les deux phonons sont donc intriqués mécaniquement quantiquement.

Dans l'intrication quantique, chaque phonon est dans une superposition de réflexion et de transmission, mais les deux phonons sont verrouillés ensemble. Cela signifie que détecter un phonon comme ayant été transmis ou réfléchi force l’autre phonon à être dans le même état.

Donc, si vous détectez, vous détecterez toujours deux phonons, allant dans un sens ou dans l’autre, jamais un phonon dans chaque sens. Ce même effet pour la lumière, la combinaison de superposition et d'interférence de deux photons, est appelé effet Hong-Ou-Mandel, du nom des trois physiciens qui l'ont prédit et observé pour la première fois en 1987. Aujourd'hui, mon groupe a démontré cet effet avec le son.

Ces résultats suggèrent qu’il est désormais possible de construire un ordinateur quantique mécanique utilisant des phonons. Des efforts continus sont déployés pour construire des ordinateurs quantiques optiques qui ne nécessitent que l’émission, la détection et l’interférence de photons uniques. Ces efforts sont parallèles aux efforts visant à construire des ordinateurs quantiques électriques qui, grâce à l'utilisation d'un grand nombre de particules intriquées, promettent une accélération exponentielle de certains problèmes, tels que la factorisation de grands nombres ou la simulation de systèmes quantiques.