Les ondes sonores permettent aux systèmes quantiques de «se parler»

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Des chercheurs de l’Université de Chicago et du Laboratoire national d’Argonne ont inventé un moyen innovant permettant à différents types de technologie quantique de «se parler» en utilisant le son. Cette étude, publiée Nature Physics, constitue une étape importante pour rapprocher la technologie quantique de la réalité.

Rapprocher la technologie quantique de la réalité

Les chercheurs s’intéressent aux systèmes quantiques, qui considèrent le comportement original des plus petites particules comme la clé d’une génération fondamentalement nouvelle d’électronique à l’échelle atomique pour le calcul et la communication. Cependant, le transfert d’informations entre différents types de technologies, tels que les mémoires quantiques et les processeurs quantiques, constitue un défi constant.

«Nous avons abordé cette question en posant les questions suivantes: pouvons-nous manipuler et relier les états quantiques de la matière aux ondes sonores?», À déclaré David Awschalom, auteur principal de cette étude à l’Institut de génie moléculaire et scientifique principal du laboratoire national d’Argonne.

Une façon d’exécuter une opération d’informatique quantique consiste à utiliser des «spins», une propriété des électrons pouvant être ascendante, descendante ou les deux. Les scientifiques peuvent les utiliser comme des zéros et des uns dans le langage de programmation binaire actuel. Mais obtenir cette information ailleurs nécessite un traducteur et les scientifiques ont pensé que les ondes sonores pourraient aider.

Concentrer les ondes sonores

« L’objectif est de coupler les ondes sonores aux spins des électrons dans un matériau », a déclaré l’étudiant diplômé Samuel Whiteley, copremier auteur de cette recherche. «Mais le premier défi consiste à attirer l’attention sur les rotations.» Ils ont donc mis au point un système à électrodes incurvées pour concentrer les ondes sonores, comme si l’on utilisait une loupe pour focaliser un point de lumière.

Les résultats étaient prometteurs, mais ils avaient besoin de plus de données. Pour mieux comprendre ce qui se passait, ils ont travaillé avec des scientifiques du Centre for Nanoscale Materials d’Argonne pour observer le système en temps réel. Ils utilisaient essentiellement des rayons X extrêmement puissants et brillants provenant du synchrotron géant du laboratoire Advanced Photon Source, comme microscope pour scruter les atomes à l’intérieur du matériau lorsque les ondes sonores le traversaient à près de 7 000 kilomètres par seconde.

Observer la dynamique et la structure de l’atome

« Cette nouvelle méthode nous permet d’observer la dynamique et la structure de l’atome dans les matériaux quantiques à des échelles de longueurs extrêmement petites », a déclaré Awschalom. «C’est l’un des rares endroits au monde où l’instrumentation permet de regarder directement les atomes se déplacer dans un réseau à mesure que les ondes sonores les traversent.»

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Les chercheurs ont déclaré que l’un des nombreux résultats surprenants était que les effets quantiques des ondes sonores étaient plus complexes qu’ils ne l’avaient imaginé au départ. Pour construire une théorie complète derrière ce qu’ils observaient au niveau subatomique, ils se sont tournés vers la professeure Giulia Galli, professeure à l’IME et chercheuse principale à Argonne.

Pour modéliser ce système, il faut structurer les interactions de chaque particule dans ce système, ce qui l’augmente de façon exponentielle, a déclaré Awschalom. système. »

Selon M. Whiteley, il est normalement difficile d’envoyer des informations quantiques pour plus de quelques microns, c’est la largeur d’un seul brin de soie d’araignée. Cette technique pourrait étendre le contrôle sur une puce ou une plaquette entière.

«Les résultats nous ont donné de nouvelles façons de contrôler nos systèmes et ouvrent des espaces de recherche et d’applications technologiques telles que la détection quantique», a déclaré le chercheur post-doctoral Gary Wolfowicz.

Un système de communications potentiellement indestructible

Cette découverte est une autre du programme mondial de l’informatique quantique et de l’ingénierie de l’Université de Chicago; Awschalom dirige actuellement un projet visant à construire un réseau quantique de «téléportation» entre Argonne et le laboratoire national d’accélérateurs de Fermi afin de tester les principes d’un système de communications potentiellement indestructible.

Les scientifiques ont souligné que la convergence des compétences, des ressources et des installations de l’Université de Chicago, de l’Institut d’Ingénierie Moléculaire et de l’Argonne était essentielle pour explorer pleinement cette technologie.

«Aucun groupe n’a la capacité d’explorer ces systèmes quantiques complexes et de résoudre ce type de problème. il faut des installations de pointe, des théoriciens et des expérimentateurs travaillant en étroite collaboration », a déclaré Awschalom. «Le lien étroit qui unit Argonne et l’Université de Chicago permet à nos étudiants de répondre à certaines des questions les plus difficiles dans ce domaine en rapide évolution de la science et de la technologie.»

Source : University of Chicago
Crédit photo : Pixabay / Argonne National Laboratory

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