Le passage du monde quantique au monde classique implique l’effondrement de plusieurs états superposés d’un système, par exemple un électron, en un seul. Comprendre ce phénomène est l’un des défis les plus difficiles auxquels sont confrontés les physiciens, et pourtant, ceux-ci ne manquent pas. L’une des théories expliquant cet effondrement, proposée par Roger Penrose et Lajos Diósi dans les années 1990, fait appel à la gravité. Pour le tester, une des voies consiste à étudier les vibrations quantiques d’un résonateur mécanique, lui-même placé dans un état quantique, donc superposé, grâce à un qubit supraconducteur. Le problème était d’accorder les fréquences de ces deux systèmes pour provoquer un couplage résonant entre eux, afin, ensuite, d’utiliser le qubit pour générer n’importe quel état quantique du résonateur mécanique, notamment la superposition d’états.
Samuel Deléglise, du laboratoire Kastler-Brossel (CNRS-LKB) et ses collègues du CEA, Inria, ENS, etc. ont réussi cette prouesse en choisissant d’abaisser la fréquence du qubit. Pour ce faire, ils ont utilisé et amélioré un « fluxonium », un type de qubit dont la fréquence de transition entre états est 1 000 fois inférieure à celle des qubits usuels (généralement plusieurs gigahertz). Le composant de base de ce dispositif est une jonction Josephson, c’est-à-dire deux couches supraconductrices séparées par un isolant.. Le qubit de fluxonium comprend en outre une boucle supraconductrice composée de centaines de jonctions Josephson, les deux états du qubit correspondant aux courants circulant dans la boucle dans le sens horaire et antihoraire. La fréquence de transition est déterminée par la force du champ magnétique traversant la boucle.
Le qubit de fluxonium est un circuit composé d’aluminium et de niobium refroidi à très basse température. Il se compose d’un petit carrefour Josephson (en rouge) placé en série avec 360 jonctions plus grandes (en bleu), formant une boucle supraconductrice. L’état du qubit est lu à l’aide d’une cavité micro-onde (en violet) couplé à une électrode capacitive (en vert).
© S. Deléglise/LKB/CNRS
Restait à isoler le fluxonium des perturbations extérieures, par exemple thermiques et magnétiques. Pour ce faire, l’équipe a utilisé une technique de refroidissement inspirée des systèmes d’atomes froids et a ajusté le champ magnétique à une valeur très spécifique où le courant dans le circuit circule simultanément dans deux directions opposées. Ces états dits du « chat de Schrödinger » sont connus pour leur résilience aux fluctuations du champ magnétique. Cette méthode a permis de diminuer d’un facteur dix la fréquence de fonctionnement du qubit. De plus, les résultats expérimentaux démontrent la sensibilité exceptionnelle du qubit pour détecter, par exemple, de minuscules fluctuations quantiques dans une membrane vibrante. Le Fluxonium est ainsi prêt à être utilisé dans de futures expériences pour placer un objet macroscopique dans une superposition où il occuperait simultanément deux positions, et ainsi percer l’un des plus grands mystères de la physique quantique !
