Des chercheurs de l’Université de Bâle ont réussi à former une boucle de contrôle à partir de deux systèmes quantiques distants d’un mètre. Dans cette boucle, un système quantique – une membrane vibrante – est refroidi par l’autre – un nuage d’atomes – et les deux systèmes sont couplés ensemble par la lumière laser. De telles interfaces permettent à différents types de systèmes quantiques d’interagir les uns avec les autres sur des distances relativement grandes et joueront un rôle clé dans les futures technologies quantiques.
Nous connaissons tous le principe de rétroaction – par exemple, lorsque nous utilisons un thermostat pour contrôler la température intérieure en relation avec un appareil de chauffage. Le thermostat mesure la température actuelle, la compare à la valeur de consigne et régule le flux de chaleur en conséquence. Des boucles de contrôle de ce type se produisent dans de nombreux domaines de la vie quotidienne et de la technologie.
Ils sont également utiles dans le monde quantique lorsque vous essayez de mettre un système dans un état souhaité. Par exemple, il est souvent nécessaire de travailler à très basse température – proche du zéro absolu – pour observer les effets sensibles du monde quantique et utiliser ces effets pour de nouvelles applications technologiques. La rétroaction classique nécessite une mesure dans une boucle de contrôle et ne fonctionne que dans une mesure limitée dans le monde quantique, qui diffère à bien des égards du monde macroscopique que nous connaissons.
La raison de ces limitations est que dans les systèmes quantiques, la mesure seule entraîne une modification du système et donc une réaction incontrôlée. Dans ce contexte, des chercheurs dirigés par le professeur Philipp Treutlein du Département de physique et de l’Institut suisse des nanosciences de l’Université de Bâle ont utilisé pour la première fois le principe de la rétroaction cohérente pour refroidir un système quantique – et ont publié leurs résultats. dans la revue Examen physique X.
Contrôle sans mesure
La rétroaction cohérente décrit une situation dans laquelle deux systèmes quantiques interagissent l’un avec l’autre. Étant donné que l’un des systèmes agit comme une unité de contrôle pour l’autre, aucune mesure n’est nécessaire. Au lieu de cela, le système de commande est configuré pour amener le système cible dans un état souhaité au moyen d’une interaction mécanique quantique cohérente.
En particulier, les chercheurs ont utilisé des atomes comme système de contrôle mécanique quantique pour contrôler la température d’une membrane vibrante macroscopique mais très fine. Ce processus consiste tout d’abord à aligner le moment cinétique intrinsèque (spin) des atomes dans une direction bien définie, ce qui correspond à un état très froid proche du zéro absolu. D’autre part, la température élevée de la membrane la fait osciller fortement. L’interaction mécanique quantique permet aux atomes et à la membrane d’échanger des états, provoquant le refroidissement de la membrane lorsque son énergie est transférée aux atomes. Cependant, les atomes peuvent ensuite être rapidement restaurés à leur état d’origine avec une lumière laser en vue d’un transfert d’énergie supplémentaire à partir de la membrane.
Les chercheurs ont utilisé avec succès ce mécanisme de rétroaction cohérente pour réduire la température de la membrane oscillante d’une fraction de milliseconde de la température ambiante à 200 millikelvins (-272,95 °C) – soit une température proche du zéro absolu.
« Nous utilisons l’interaction des deux systèmes pour amener la membrane dans un état froid », explique le doctorant Gian-Luca Schmid, aux côtés de Chun Tat Ngai, un autre doctorant de Treutlein, premier auteur de l’étude. « Ce qui est fascinant dans ces analyses, c’est qu’on peut coupler et contrôler un système macroscopique avec un système quantique atomique sur une plus grande distance », explique Philipp Treutlein.
Des retards malgré la vitesse de la lumière
La distance relativement grande entre les deux systèmes quantiques est une condition préalable importante pour d’éventuelles applications dans la technologie quantique, mais elle entraîne également de minuscules retards. Bien que la lumière se déplace à la vitesse de la lumière, ces retards affectent considérablement la rétroaction et rendent le système plus instable. En conséquence, la membrane oscillante est refroidie un peu moins que ce qui serait théoriquement possible sans délai.
Les chercheurs bâlois étudient ces phénomènes aux interfaces quantiques entre les atomes et les systèmes à l’état solide, car ces systèmes hybrides joueront un rôle important dans la technologie quantique du futur. Les applications potentielles incluent de nouveaux types de capteurs et de réseaux quantiques.
« Nous sommes convaincus que notre étude conduira à de nouvelles recherches pratiques sur la rétroaction cohérente dans les systèmes quantiques », déclare Treutlein.
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