Le groupe de Fadel a créé un état dans lequel le cristal contenait une superposition d’un seul phonon et de zéro phonon. “Dans un sens, le cristal est dans un état où il est immobile et vibrant en même temps”, explique Fadel. Pour ce faire, ils utilisent des impulsions micro-ondes pour faire en sorte qu’un minuscule circuit supraconducteur produise un champ de force qu’ils peuvent contrôler avec une grande précision. Ce champ de force pousse un petit morceau de matériau connecté au cristal pour introduire des phonons uniques de vibration. En tant que plus grand objet présentant une étrangeté quantique à ce jour, il pousse les physiciens à mieux comprendre l’interface entre le monde quantique et classique.
Plus précisément, l’expérience touche à un mystère central de la mécanique quantique, connu sous le nom de “problème de mesure”. Selon l’interprétation la plus populaire de la mécanique quantique, le fait de mesurer un objet en superposition à l’aide d’un appareil macroscopique (quelque chose de relativement grand, comme une caméra ou un compteur Geiger) détruit la superposition. Par exemple, dans l’expérience à double fente, si vous utilisez un appareil pour détecter un électron, vous ne le voyez pas dans toutes ses positions d’onde potentielles, mais fixé, apparemment au hasard, à un endroit particulier.
Mais d’autres physiciens ont proposé des alternatives pour aider à expliquer la mécanique quantique qui n’impliquent pas de mesure, connues sous le nom de modèles d’effondrement. Celles-ci supposent que la mécanique quantique, telle qu’elle est actuellement acceptée, est une théorie approximative. Au fur et à mesure que les objets grossissent, un phénomène encore inconnu empêche les objets d’exister dans des états de superposition – et c’est cela, et non l’acte de mesurer les superpositions, qui nous empêche de les rencontrer dans le monde qui nous entoure. En poussant la superposition quantique à des objets plus gros, l’expérience de Fadel limite ce que peut être ce phénomène inconnu, explique Timothy Kovachy, professeur de physique à la Northwestern University qui n’a pas participé à l’expérience.
Les avantages du contrôle des vibrations individuelles dans les cristaux vont au-delà de la simple étude de la théorie quantique – il existe également des applications pratiques. Les chercheurs développent des technologies qui utilisent des phonons dans des objets comme le cristal de Fadel comme capteurs précis. Par exemple, les objets qui abritent des phonons individuels peuvent mesurer la masse d’objets extrêmement légers, explique le physicien Amir Safavi-Naeini de l’Université de Stanford. Des forces extrêmement légères peuvent provoquer des changements dans ces états quantiques délicats. Par exemple, si une protéine atterrissait sur un cristal similaire à celui de Fadel, les chercheurs pourraient mesurer les petits changements dans la fréquence de vibration du cristal pour déterminer la masse de la protéine.
De plus, les chercheurs s’intéressent à l’utilisation des vibrations quantiques pour stocker des informations pour les ordinateurs quantiques, qui stockent et manipulent des informations codées en superposition. Les vibrations ont tendance à durer relativement longtemps, ce qui en fait un candidat prometteur pour la mémoire quantique, explique Safavi-Naeini. « Le son ne voyage pas dans le vide », dit-il. “Lorsqu’une vibration à la surface d’un objet ou à l’intérieur de celui-ci atteint une limite, elle s’arrête là.” Cette propriété du son a tendance à conserver les informations plus longtemps que dans les photons, couramment utilisés dans les prototypes d’ordinateurs quantiques, bien que les chercheurs doivent encore développer une technologie basée sur les phonons. (Les scientifiques explorent encore les applications commerciales des ordinateurs quantiques en général, mais beaucoup pensent que leur puissance de traitement accrue pourrait être utile pour concevoir de nouveaux matériaux et médicaments pharmaceutiques.)
Dans des travaux futurs, Fadel souhaite effectuer des expériences similaires sur des objets encore plus gros. Il veut également étudier comment la gravité pourrait affecter les états quantiques. La théorie de la gravité des physiciens décrit avec précision le comportement des grands objets, tandis que la mécanique quantique décrit précisément les objets microscopiques. « Si vous pensez aux ordinateurs quantiques ou aux capteurs quantiques, ce seront inévitablement de grands systèmes. Il est donc crucial de comprendre si la mécanique quantique tombe en panne pour des systèmes de plus grande taille », explique Fadel.
Au fur et à mesure que les chercheurs approfondissent la mécanique quantique, son étrangeté est passée d’une expérience de pensée à une question pratique. Comprendre où se situent les frontières entre les mondes quantique et classique influencera le développement de futurs appareils scientifiques et ordinateurs, si ces connaissances peuvent être trouvées. «Ce sont des expériences fondamentales, presque philosophiques», explique Fadel. “Mais ils sont également importants pour les technologies futures.”
