Vers le quantique du son

Au cours de la dernière décennie, des avancées technologiques majeures ont été réalisées, permettant de mettre dans cet état une grande variété de systèmes. Les vibrations mécaniques oscillant entre deux miroirs dans un résonateur peuvent être refroidies à des températures très basses jusqu'à l'état fondamental quantique. Cela n’était pas encore possible pour les fibres optiques dans lesquelles des ondes sonores haute fréquence peuvent se propager. Les chercheurs du Stiller Research Group ont désormais fait un pas de plus vers cet objectif.

Dans leur étude, récemment publiée dans Physical Review Letters, ils rapportent qu'ils ont réussi à abaisser de 219 K la température d'une onde sonore dans une fibre optique initialement à température ambiante grâce au refroidissement laser, soit dix fois plus que ce qui avait été rapporté précédemment. Finalement, le nombre de phonons initial a été réduit de 75 %, à une température de 74 K, -194 Celsius. Une réduction aussi drastique de la température a été rendue possible grâce à l’utilisation de la lumière laser. Le refroidissement des ondes sonores en propagation a été obtenu grâce à l'effet optique non linéaire de la diffusion Brillouin stimulée, dans lequel les ondes lumineuses sont efficacement couplées aux ondes sonores. Grâce à cet effet, la lumière laser refroidit les vibrations acoustiques et crée un environnement avec moins de bruit thermique qui est, dans une certaine mesure, un bruit « perturbant » pour un système de communication quantique par exemple. “Un avantage intéressant des fibres de verre, en plus de cette forte interaction, est le fait qu'elles peuvent parfaitement conduire la lumière et le son sur de longues distances”, explique Laura Blázquez Martínez, l'un des principaux auteurs de l'article et doctorante à la Groupe de recherche Stiller.

La plupart des plates-formes physiques précédemment amenées à l’état fondamental quantique étaient microscopiques. Cependant, dans cette expérience, la longueur de la fibre optique était de 50 cm et une onde sonore s'étendant sur les 50 cm du cœur de la fibre a été refroidie à des températures extrêmement basses. “Ces résultats constituent une étape très intéressante vers l'état fondamental quantique dans les guides d'ondes et la manipulation de phonons acoustiques aussi longs ouvre des possibilités d'applications à large bande dans la technologie quantique”, selon le Dr Birgit Stiller, responsable du groupe d'optoacoustique quantique.

Le son, dans le monde classique de tous les jours, peut être compris comme une onde de densité dans un milieu. Cependant, du point de vue de la mécanique quantique, le son peut également être décrit comme une particule : le phonon. Cette particule, le quantum sonore, représente la plus petite quantité d’énergie qui se produit sous forme d’onde acoustique à une certaine fréquence. Afin de voir et d’étudier des quanta sonores uniques, le nombre de phonons doit être minimisé. La transition du comportement classique au comportement quantique du son est souvent plus facilement observée dans l’état fondamental quantique, où le nombre de phonons est proche de zéro en moyenne, de sorte que les vibrations sont presque figées et que les effets quantiques peuvent être mesurés. Stiller : “Cela ouvre la porte à un nouveau paysage d'expériences qui nous permettent de mieux comprendre la nature fondamentale de la matière.” L’avantage d’utiliser un système de guide d’ondes est que la lumière et le son ne sont pas liés entre deux miroirs, mais se propagent le long du guide d’ondes. Les ondes acoustiques existent sous forme d'un continuum – pas seulement pour certaines fréquences – et peuvent avoir une large bande passante, ce qui les rend prometteuses pour des applications telles que les systèmes de communication à haut débit.

“Nous sommes très enthousiasmés par les nouvelles connaissances que le fait de pousser ces fibres dans l'état fondamental quantique apportera”, souligne le chef du groupe de recherche. “Non seulement du point de vue de la recherche fondamentale, qui nous permet d'examiner la nature quantique des objets étendus, mais aussi en raison des applications que cela pourrait avoir dans les systèmes de communication quantiques et les futures technologies quantiques.”