Contrôler le routage du signal dans le traitement de l’information quantique

Les dispositifs qui permettent d’acheminer des signaux, par exemple portés par des ondes lumineuses ou sonores, sont indispensables dans de nombreuses situations pratiques. C’est, par exemple, le cas dans le traitement de l’information quantique, où les états de l’ordinateur quantique doivent être amplifiés pour les lire – sans que le bruit du processus d’amplification ne les corrompe. C’est pourquoi les dispositifs qui permettent aux signaux de voyager dans un canal unidirectionnel, par exemple les isolateurs ou les circulateurs, sont très recherchés. Cependant, à l’heure actuelle, ces dispositifs sont coûteux, encombrants et nécessitent de grands champs magnétiques qui brisent la symétrie d’inversion du temps pour obtenir un comportement unidirectionnel. Ces limitations ont incité de gros efforts pour trouver des alternatives qui prennent moins de place et qui ne reposent pas sur les champs magnétiques.

La nouvelle étude publiée dans Physique naturelle introduit une nouvelle classe de systèmes caractérisés par un phénomène que les auteurs appellent “la non-réciprocité en quadrature”. La non-réciprocité en quadrature exploite les interférences entre deux processus physiques distincts. Chacun des processus produit une onde qui contribue au signal transmis. Comme les vagues d’eau produites par deux cailloux lancés, les deux vagues peuvent s’annuler ou s’amplifier, dans un phénomène connu sous le nom d’interférence.

Ceci permet une transmission unidirectionnelle de signaux sans rupture par inversion temporelle et conduit à une dépendance particulière à la phase, c’est-à-dire à la quadrature, du signal. “Dans ces appareils, la transmission dépend non seulement de la direction du signal, mais aussi de la quadrature du signal”, explique Clara Wanjura, l’auteur théorique principal de l’étude. “Cela réalise une” double voie “pour les signaux: une quadrature est transmise dans une direction et l’autre quadrature dans la direction opposée. La symétrie d’inversion temporelle impose alors que les quadratures se déplacent toujours par paires dans des directions opposées dans deux voies séparées.”

L’équipe expérimentale d’AMOLF a démontré expérimentalement ce phénomène dans un système nanomécanique où les interactions entre les vibrations mécaniques de petites cordes de silicium sont orchestrées par la lumière laser. La lumière laser exerce des forces sur les cordes, médiant ainsi les interactions entre leurs différentes « tonalités » de vibration. Jesse Slim, l’auteur principal expérimental de l’étude, déclare : “Nous avons développé une boîte à outils expérimentale polyvalente qui nous a permis de contrôler les deux différents types d’interactions nécessaires pour mettre en œuvre la non-réciprocité en quadrature. De cette façon, nous avons pu révéler le transport unidirectionnel résultant du signale expérimentalement.”

Les travaux ouvrent de nouvelles possibilités pour le routage du signal et l’amplification limitée quantique, avec des applications potentielles dans le traitement et la détection de l’information quantique.