Controllable interaction between photons and distant spins via vacuum Rabi oscillations
Cet article démontre le transfert contrôlable d'énergie entre deux qubits de spins électroniques distants via une cavité supraconductrice en faisant l'ingénierie de multiples oscillations de Rabi de vide, établissant ainsi un bloc constructif fondamental pour interfaçage des qubits de spins semi-conducteurs avec des liaisons photoniques.
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Imaginez l'univers comme une immense piste de danse invisible où l'énergie est la musique. Dans le monde de la physique quantique, la danse la plus passionnante se produit lorsque deux partenaires très différents se rencontrent : un « spin », qui est comme un minuscule aimant tournant à l'intérieur d'un atome, et un « photon », qui est un paquet unique de lumière. Habituellement, ces deux-là ne communiquent pas beaucoup entre eux. Mais si vous emprisonnez la lumière dans une boîte spéciale (une cavité) et que vous faites en sorte que le spin et la lumière vibrent exactement à la même vitesse, ils peuvent entamer un échange rythmé et parfait. Ils échangent de l'énergie de l'un vers l'autre, comme deux enfants sur des balançoires qui se poussent mutuellement de plus en plus haut. C'est ce qu'on appelle une « oscillation de Rabi dans le vide ». Les scientifiques s'y intéressent car c'est l'ultime poignée de main entre la matière et la lumière. Si nous pouvons maîtriser cette danse, nous pourrions construire un « internet quantique » où l'information vole entre les ordinateurs sous forme de lumière, connectant des processeurs minuscules qui sont éloignés les uns des autres, tout comme envoyer une lettre par la poste mais à la vitesse de la lumière.
Dans cette nouvelle étude, des chercheurs de l'Université de technologie de Delft et de QuTech ont décidé de voir s'ils pouvaient faire en sorte que cette danse se produise entre deux partenaires distants en utilisant une configuration très spécifique. Ils ont construit un dispositif minuscule fait de silicium et de métal supraconducteur, comprenant deux « points quantiques doubles » (qui sont essentiellement de minuscules cages tenant des électrons uniques) placés à 250 micromètres l'un de l'autre — environ la largeur d'un cheveu humain. Ces cages sont reliées par un fil supraconducteur qui agit comme une autoroute pour les photons micro-ondes. L'objectif de l'équipe était de voir s'ils pouvaient prendre une unité d'énergie d'un seul spin d'électron, la transformer en un photon, l'envoyer le long du fil, puis faire en sorte que le second électron la rattrape et la transforme à nouveau en énergie.
Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient effectivement faire cela. En ajustant soigneusement des impulsions de tension, ils ont pu activer et désactiver le système, permettant au premier électron de « danser » avec la cavité micro-ondes. Ils ont observé l'échange d'énergie faire des allers-retours à plusieurs reprises, confirmant que le spin et le photon étaient étroitement couplés. La danse était si forte qu'ils ont pu l'arrêter exactement à mi-chemin, emprisonnant efficacement l'énergie sous la forme d'un photon unique à l'intérieur de la cavité. Ensuite, ils ont laissé le second électron rejoindre la danse. Comme prévu, le second électron a capté le photon et a absorbé son énergie, achevant ainsi le transfert d'un spin distant à l'autre.
Pour prouver que l'énergie était véritablement un photon unique et non pas seulement un nuage flou d'énergie, l'équipe a utilisé une astuce ingénieuse. Ils ont commencé avec deux électrons excités et en ont transféré un dans la cavité, laissant la cavité avec exactement un photon. Lorsqu'ils ont laissé le second électron danser avec cette cavité « pleine », le rythme de l'échange s'est accéléré. Cette accélération est une signature connue de la présence d'un photon unique, confirmant qu'ils avaient réussi à créer un « état de Fock » — un état possédant un nombre précis de particules. L'équipe a mesuré cette accélération et a calculé que la cavité contenait en moyenne environ 0,65 à 0,69 photon lors de ces tests, ce qui est proche du photon unique idéal, bien que non parfait.
L'article note également que, bien que la danse ait été un succès, elle n'était pas parfaitement fluide. Les électrons perdaient leur rythme un peu plus vite que ce que les scientifiques observent habituellement dans les puces de silicium, probablement à cause d'un bruit électrique invisible en arrière-plan. Cependant, le fait qu'ils aient pu observer plusieurs cycles d'oscillation malgré ce bruit est une étape importante. Les chercheurs suggèrent qu'avec des matériaux plus propres et une meilleure ingénierie dans les futurs dispositifs, cette méthode pourrait devenir un moyen fiable de relier les ordinateurs quantiques entre eux, transformant ces minuscules spins de silicium en nœuds d'un vaste réseau à la vitesse de la lumière.
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