LE SON PRIS EN FLAGRANT DÉLIT DE SAUT QUANTIQUE

Pincez une corde de guitare : le son s’éteint en douceur. La mécanique quantique prédit pourtant que l’énergie de tout objet qui vibre vient par paquets discrets — les phonons, les quanta du son. Le problème, c’est qu’on ne les voit pas en regardant l’objet bouger. Une mesure de position ne montre jamais qu’une décroissance exponentielle lisse, exactement comme pour un oscillateur classique.

Pour révéler les paquets, il faut mesurer l’énergie elle-même, et le faire sans la perturber : c’est ce qu’on appelle une mesure quantique non destructive. Ces sauts entre niveaux d’énergie ont d’abord été vus sur des ions piégés uniques, puis pour des grains de lumière piégés dans des cavités. Une équipe de l’université Stanford et du SLAC, dirigée par Amir Safavi-Naeini, vient de le faire pour un objet qui vibre.

Un cristal qui flotte au-dessus d’un qubit

L’objet vibrant est un minuscule bloc de niobate de lithium, un cristal qui transforme la vibration en tension électrique. Il se trouve au centre d’une poutre percée de trous réguliers, qui jouent le rôle de miroirs acoustiques et piègent la vibration à l’intérieur. Sa masse effective est d’environ 0,2 picogramme — un cinquième de millième de milliardième de gramme.

Le détecteur est un qubit supraconducteur, le même type de circuit que dans les ordinateurs quantiques. Les deux pièces sont fabriquées séparément, puis une machine de collage de précision estampe le cristal sur le qubit : le bloc flotte à seulement 75 nanomètres au-dessus.

Le couplage fonctionne ainsi : chaque phonon présent dans le bloc décale la fréquence du qubit de 328 kilohertz. En réglant le minutage d’une courte séquence d’impulsions, le qubit finit dans un état si le nombre de phonons est pair, dans l’autre s’il est impair. Comme le bloc contient en pratique au plus un phonon, cela revient à une question simple : zéro ou un ? Chaque vérification dure environ 12 microsecondes.

Les sauts

L’équipe a d’abord appris à reconnaître un phonon unique. Une vérification isolée n’a raison qu’environ 68 % du temps ; on la répète donc : après six réponses « un phonon » d’affilée, le bloc contient exactement un phonon avec une probabilité de 85 %.

Puis elle a continué à demander — 294 fois de suite. Les réponses brutes le montrent à l’œil nu : une longue série de « un » en majorité, puis un basculement brutal vers une majorité de « zéro ». Le bloc n’a pas perdu son énergie peu à peu ; il a perdu son unique phonon d’un seul saut, à un moment aléatoire, différent d’un essai à l’autre. Les instants de ces sauts suivent une loi exponentielle, la signature d’un processus spontané et sans mémoire.

Les chiffres qui le permettent

Un phonon survit 2,1 millisecondes dans ce bloc, une durée que les auteurs jugent exceptionnellement longue pour ce type de résonateur aux fréquences du gigahertz. Ils l’attribuent à deux choix : aucun métal ne touche le résonateur, et sa face supérieure n’est jamais frappée par le faisceau d’ions qui sert à le graver.
Cela laisse le temps de faire environ 170 vérifications pendant la vie d’un phonon.
Chaque vérification laisse le phonon intact environ 99 % du temps. Cette petite perturbation réduit la vie du phonon à environ 0,65 milliseconde pendant qu’on l’observe.
Le facteur de mérite global, appelé coopérativité, dépasse 3 millions : dix fois mieux que les autres plateformes d’acoustique quantique, selon les auteurs.

Vers des bits quantiques faits de son

Prochaine étape des auteurs : un bit quantique « à double rail », fait de deux résonateurs mécaniques partageant un même qubit, où la perte d’un phonon devient une erreur détectable. Leur technique d’estampage permet de placer plusieurs résonateurs sur la même puce. Ils évoquent aussi des capteurs : un objet aussi léger, qui vibre aussi longtemps, c’est ce qu’il faut pour peser une seule molécule.

Pour l’instant, la mesure a ses limites : une vérification isolée est loin d’être parfaite, et elle ne distingue pas zéro phonon de deux. Deux des auteurs sont « Amazon Scholars », et Amazon Web Services a contribué au financement.

Les sauts quantiques avaient été vus dans les atomes, dans la lumière ; avec cette expérience, ils le sont dans le son.