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Nov 28, 2023

Démonstration expérimentale du temps analogique classique

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 22580 (2022) Citer cet article 2539 Accès à 10 détails sur Altmetric Metrics L'un des concepts de la théorie quantique sur lequel le traitement de l'information quantique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22580 (2022) Citer cet article

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L’un des concepts de la théorie quantique sur lequel repose le traitement de l’information quantique est la superposition. Nous fournissons ici des preuves expérimentales de l'existence d'analogues classiques à la superposition cohérente d'états énergétiques, rendue possible par la non-linéarité de type Hertz des granules ainsi que par le champ moteur externe. Les vibrations non linéaires des granules sont projetées dans les modes de vibration linéaires, qui dépendent les uns des autres tout au long de la phase et forment une superposition cohérente. Nous montrons que les amplitudes des états cohérents forment les composantes d'un vecteur d'état qui s'étend sur un espace de Hilbert bidimensionnel, et que le temps permet au système d'étendre paramétriquement son espace de Hilbert. Ainsi, la superposition d’états peut être exploitée dans des calculs de type quantique à deux états sans décohérence ni effondrement de la fonction d’onde. Enfin, nous démontrons la réalisation expérimentale de l’application d’une porte Hadamard réversible à un état de base pur qui amène l’état dans une superposition.

La demande croissante de science de l’information quantique (QIS) et d’informatique quantique1,2,3,4,5 impose une analyse plus approfondie du sujet et de ses méthodes. Un bit quantique (qubit) est le composant essentiel du QIS et d’un système mécanique quantique à deux états qui peut, surtout, exister en superposition. Un nouvel état distinct ayant des liens quantitatifs spécifiques avec les deux premiers états donnés est appelé une superposition des deux premiers. En plus de fournir une superposition d’états, la capacité d’établir une corrélation entre les sous-systèmes via l’intrication est ce qui rend les qubits si puissants pour le traitement de l’information. Cependant, en raison de la capacité rapide de l'environnement à détruire la cohérence délicate de ces états, il est difficile de créer et d'observer des états quantiques superposés initialement préparés. En conséquence, les particules et certains objets microscopiques refroidis à une température proche du zéro absolu6,7,8 présentent ainsi une telle superposition quantique9,10. D'autre part, l'informatique quantique topologique (TPC), où les propriétés topologiques des particules à l'échelle macroscopique sont tout ce qui compte, utilise des formes de matière non abéliennes pour stocker des informations quantiques dans le but de construire un qubit 11 plus robuste. 12. Cependant, selon le commentaire de Frolov dans Nature 13, le différend sur les particules Majorana mine la confiance dans le domaine TPC car il est très difficile de créer un qubit topologique. Par conséquent, la recherche de superpositions d'autres états macroscopiques, ou états de superposition macroscopique, a été activement poursuivi au cours des dernières décennies et démontré expérimentalement avec succès dans divers systèmes, notamment les ions piégés14, les condensats de Bose-Einstein15,16 et les systèmes atomiques17. De plus, en pilotant le qubit de manière monochromatique18 ou en détectant l’interaction à deux phonons entre un oscillateur mécanique et un qubit de spin19, la superposition quantique macroscopique dans un système qubit-oscillateur a également été explorée. Très récemment, Wood et al. a suggéré une plate-forme pour créer des superpositions macroscopiques et un plan pour placer un diamant de 250 nm de diamètre dans une superposition afin d'étudier les limites macroscopiques de la mécanique quantique20.

Des perspectives supplémentaires pour les applications et les avancées technologiques du QIS et de la mécanique quantique sont fournies par la création d’analogues acoustiques des phénomènes quantiques21. Un exemple notable est le champ élastique linéaire, dont il a été démontré théoriquement et expérimentalement qu’il produit des superpositions cohérentes d’ondes harmoniques classiques analogues aux états de spin en mécanique quantique22. Néanmoins, pour observer de véritables phénomènes de type quantique, la non-linéarité du système mécanique est nécessaire. La création d’états mécaniques non gaussiens avec une fonction de Wigner négative en est un exemple. Il a été suggéré que la dissipation23,24,25,26, l'effet tunnel quantique avec un potentiel optomécanique à double puits27,28, le retournement périodique des qubits29, les effets d'interférence quantique30, la mesure conditionnelle du champ optique31,32,33 et l'interaction de sauts de photons modulés entre deux les cavités dans un système optomécanique peuvent produire des états de superposition macroscopiques non gaussiens. Ces méthodes sont basées sur l'interaction non linéaire entre les degrés de liberté optiques et mécaniques. Dans le même sens, dans la référence 36, une génération expérimentale de l'état de superposition macroscopique a été rendue possible grâce à la non-linéarité de type Kerr en faisant varier l'amplitude du champ moteur. À notre connaissance, cependant, aucun travail comparable n’a été réalisé dans les systèmes élastiques classiques non linéaires où la non-linéarité a été exploitée pour créer une superposition d’états. Un bit élastique dans un système classique non linéaire peut créer une superposition d'états stable à température ambiante et sans décohérence. De plus, comme elle représente une amplitude réelle plutôt qu’une amplitude probable, elle peut être mesurée directement en l’absence d’effondrement de la fonction d’onde. Ces caractéristiques permettent de réaliser expérimentalement un bit élastique, offrant ainsi une nouvelle façon révolutionnaire d'atteindre certains des objectifs de la technologie de l'information quantique en utilisant des analogues quantiques basés sur des matériaux. L'objectif de la présente étude est de démontrer expérimentalement la possibilité de préparer des analogues acoustiques d'états de superposition dans un milieu granulaire acoustique non linéaire et de manipuler la superposition d'états de Bloch. Plus précisément, en pilotant harmoniquement un système non linéaire composé de deux granules sphériques, nous démontrons expérimentalement que les modes normaux non linéaires peuvent être exprimés sur une base orthonormée de mode normal linéaire avec des amplitudes dépendant du temps. Ces amplitudes forment les composantes d'un vecteur d'état qui s'étend sur un espace de Hilbert bidimensionnel (2D) paramétriquement avec le temps. Ainsi, ils servent d’analogues aux superpositions cohérentes d’états dépendant du temps, de type qubit. De plus, nous démontrons expérimentalement que la fréquence et l'amplitude des pilotes externes appliqués au système non linéaire sont des facteurs essentiels pour naviguer dans la sphère élastique de Bloch. Plus profondément, puisque le système considéré est non linéaire, nous montrons expérimentalement que le temps permet l'exploration paramétrique de la superposition des états de Bloch.