Un saut quantique réalisé pour la première fois à température ambiante

Le monde quantique, avec ses règles bizarres et ses effets hallucinants, nourrit depuis longtemps de nombreuses ambitions. Avec les progrès scientifiques récents, ces ambitions s’incrustent petit à petit dans la réalité. L’une d’elles s’inscrit notamment dans le contrôle des phénomènes quantiques à température ambiante. Cet exploit a été réalisé pour la première fois.

Pourquoi est-il difficile de contrôler des phénomènes quantiques à température ambiante ?

À température ambiante, il est certes possible d’observer un mouvement mécanique provoqué par la rétroaction quantique de la lumière, mais cela se fait principalement dans des expériences où la lumière contrôle la rigidité de l’oscillateur. En effet, l’observation de ces effets s’avère difficile dans les résonateurs mécaniques à semi-conducteurs, où la rigidité du matériau contrôle les oscillations. Cela est dû à des problèmes tels que de faibles facteurs de qualité mécanique, des fluctuations de fréquence de la cavité optique, un bruit d’intermodulation thermique et une instabilité provoquée par un léger échauffement.

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Autrement dit, dans le domaine de la mécanique quantique, la capacité d’observer et de contrôler les phénomènes quantiques à température ambiante a longtemps été insaisissable, en particulier à grande échelle ou à échelle macroscopique. Pour cette raison, traditionnellement, ces observations se limitent à des environnements proches du zéro absolu, où les effets quantiques sont plus faciles à détecter. Mais l’exigence d’un froid extrême constitue un obstacle majeur, limitant les applications pratiques des technologies quantiques.

Si tester des phénomènes quantiques dans une température ambiante est donc très difficile, ce n’est pas impossible. C’est notamment ce qu’ont démontré les scientifiques de l’École polytechnique fédérale de Lausanne dans une étude publiée dans la revue Nature. D’après les résultats de la recherche, les chercheurs ont en effet réussi à contrôler les phénomènes quantiques à température ambiante à l’aide d’un système optomécanique à très faible bruit.

Réduire le bruit thermique pour obtenir une symphonie quantique

Dans cette configuration, la lumière et le mouvement mécanique s’interconnectent. C’est ce qui a notamment permis d’étudier et de manipuler avec une grande précision la façon dont la lumière influence les objets en mouvement. Il faut savoir que le bruit thermique (le bruit généré par l’agitation thermique des porteurs de charges) est le principal problème perturbant la dynamique quantique à température ambiante. Pour réduire le bruit thermique, les chercheurs ont utilisé des miroirs à cavité ornés de structures périodiques cristallines, dites « phononiques ».

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Ces miroirs spécialisés font rebondir la lumière dans un espace confiné, piégeant efficacement et améliorant son interaction avec les éléments mécaniques du système. Autrement dit, ces miroirs améliorent l’interaction de la lumière avec les éléments mécaniques en la confinant dans un espace, minimisant ainsi le bruit thermique. Grâce à cette méthode, les chercheurs ont réussi à faire une démonstration de la « compression optique » à température ambiante. Ce phénomène quantique consiste à manipuler certaines propriétés de la lumière pour réduire les fluctuations dans une variable tout en les augmentant dans une autre.

C’est un exploit remarquable et cette étude redéfinit les limites de ce qui est possible dans le domaine de la mécanique quantique. « Nos travaux constituent une étape passionnante pour le domaine de l’optomécanique, compte tenu des efforts que ce domaine a consacrés pour atteindre le régime quantique à température ambiante », a déclaré Tobias J. Kippenberg, auteur principal de l’étude. Par ailleurs, ce nouvel état quantique observé à température ambiante promet de révolutionner l’électronique.