Lorsqu'une cloche retentit, les vibrations qu'elle produit s'atténuent progressivement jusqu'au silence. Du moins, c'est ce que nous percevons à notre échelle. Dans le monde quantique, la réalité est bien différente car l'énergie d'une vibration ne varie pas de manière continue, mais par quantités discrètes, appelées phonons. Autrement dit, le son peut perdre son énergie par sauts successifs.

Un diapason microscopique pour piéger le son

Si ce phénomène était prédit depuis longtemps par la mécanique quantique, personne n'avait encore réussi à l'observer directement. C'est désormais chose faite grâce à une équipe de l'université Stanford, dont les travaux ont été publiés dans la revue Science.

Pour réaliser cette expérience, les chercheurs ont fabriqué un résonateur mécanique microscopique, comparable à un minuscule diapason. Il a pour particularité de pouvoir conserver son énergie vibratoire pendant environ deux millisecondes, une durée exceptionnellement longue à cette échelle.

Ce délai a permis à l'équipe d'effectuer plusieurs centaines de mesures afin de suivre l'évolution de l'énergie du dispositif sans perturber son état. Pour ce faire, les scientifiques ont associé le résonateur à un qubit supraconducteur, qui est un circuit électrique capable de stocker de l'information quantique. Celui-ci joue le rôle d'un détecteur particulièrement sensible, capable de déterminer le nombre de phonons présents sans les détruire.

Le moment précis où un phonon disparaît

Grâce à ce dispositif, les physiciens ont pu suivre le comportement d'un phonon et enregistrer l'instant où le résonateur passe de son premier état excité à son état fondamental. La transition apparaît sous la forme d'un saut brutal, et non d'une diminution progressive de son énergie.

L'équipe est ainsi parvenue à préparer des états contenant un seul phonon avec une fidélité de 85 %, en apportant la première preuve expérimentale directe de ces sauts quantiques dans un objet mécanique vibrant.

Vers des ordinateurs quantiques plus fiables

Cette avancée pourrait avoir des applications technologiques importantes. La capacité à détecter la disparition d'un phonon pourrait notamment contribuer à la correction des erreurs dans les ordinateurs quantiques, dont les états restent extrêmement fragiles.

Ces résonateurs miniaturisés pourraient également servir à concevoir des mémoires quantiques ou des capteurs ultrasensibles, capables, par exemple, de détecter certaines protéines à l'intérieur des cellules. Si ces applications nécessitent encore de nombreux développements, l'expérience démontre qu'il est désormais possible de surveiller les vibrations mécaniques à l'échelle d'un seul quantum, ce qui représente une nouvelle étape dans la maîtrise du son.