Comment construire un ordinateur Phononic

La science de la façon dont la lumière interagit avec la matière s'appelle l'électrodynamique quantique ou QED et la théorie sur laquelle elle est basée est l'un des couronnements de la physique du 20e siècle.

Aujourd'hui, il est au cœur d'une technologie émergente appelée circuit-QED, dans laquelle des photons piégés sur une puce de silicium sont amenés à interagir avec des dispositifs supraconducteurs appelés atomes artificiels, qui ont différents niveaux d'énergie tout comme les atomes réels.

C'est un outil prometteur pour le calcul quantique. Les dispositifs Circuit-QED manipulent l'information quantique lors de son transfert de la lumière à la matière et vice versa. Et le fait que tout cela se déroule sur une seule puce permet un contrôle sans précédent.

Mais il existe une autre façon de faire ce genre de traitement de l'information quantique qui pourrait être tout aussi prometteuse. Au lieu de s'appuyer sur la lumière, cela utilise des paquets de sons quantiques appelés phonons.

Les phonons sont des vibrations quantiques qui voyagent à travers le réseau qui compose les matériaux, de la même manière que le son passe dans l'air. Ce sont généralement des choses désordonnées et incohérentes que nous considérons comme de la chaleur et du bruit, des choses que nous voulons généralement minimiser ou supprimer complètement.

Mais ces dernières années, les physiciens ont commencé à étudier des moyens de créer intentionnellement des phonons, de les piéger et de les rendre cohérents.

Cela leur a donné un certain nombre d'idées intéressantes. Les vibrations étant essentiellement de la chaleur, ce type de contrôle a conduit à divers mécanismes de refroidissement innovants à l'échelle nanoscopique. Et puisque tout objet quantique peut également transporter des informations quantiques, divers physiciens réfléchissent aux moyens d'utiliser les phonons pour le calcul quantique.

Mais avant de pouvoir le faire, ils ont besoin d'un moyen de manipuler les informations quantiques transportées par les phonons. Et personne n'a trouvé un bon moyen de le faire.

Aujourd'hui, cependant, Rusko Ruskov et Charles Tahan de l'Université du Maryland disent savoir comment le faire. Leur idée est l'équivalent phononique du circuit-QED. Alors au lieu de piéger un photon dans une cavité et de le faire interagir avec un atome artificiel, ces gars-là veulent le faire avec des phonons : la phonodynamique quantique.

Leur schéma est relativement simple. Ils commencent par créer une membrane de silicium, un cristal de silicium unidimensionnel d'environ 200 nanomètres d'épaisseur. Ils conçoivent les propriétés de cette membrane de manière à créer une sorte de guide d'ondes qui oriente les phonons.

Ils créent un phonon en zappant cette membrane avec un laser, qui envoie un paquet quantique de vibrations à travers le réseau.

L'équivalent d'un atome piégé dans une cavité optique est un seul atome de bore ou d'aluminium qui déforme le réseau. C'est cette distorsion qui interagit avec le photon.

Cependant, les physiciens peuvent utiliser un champ magnétique externe pour que la distorsion prenne plusieurs niveaux d'énergie différents. Cela modifie la façon dont le phonon interagit de manière à traiter les informations qu'il transporte.

Enfin, le phonon passe dans une autre région du réseau de silicium avec une bande interdite qui a été conçue pour convertir le phonon en un photon, qui peut ensuite être mesuré.

Cela semble être un bon plan. Les physiciens savent déjà que le circuit-QED est un moyen puissant de manipuler l'information quantique. La seule question est donc la faisabilité de la conception de la phonodynamique quantique.

La difficulté, bien sûr, sera de construire cette chose, qui, comme le disent Ruskov et Tahan, sera une réalisation majeure.

Le traitement de l'information quantique est un domaine encombré de nombreuses idées, plans et dispositifs en compétition pour l'intérêt et le financement. La phononique a l'avantage d'être un domaine émergent avec une large application dans diverses formes exotiques d'informatique. Nous allons regarder avec intérêt pour voir comment cela se passe.

Réf : arxiv.org/abs/1208.1776 : Phonodynamique quantique sur puce

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