Entre cristaux, chats et quantique

Ce qu'elle fait tous les jours est difficile à expliquer aux profanes, confie Yiwen Chu. En effet, dans la vie de tous les jours, nous ne voyons rien qui se comporte comme une mécanique quantique.

En tant que professeure de physique de l'état solide à l'ETH Zurich, Yiwen Chu expérimente des systèmes quantiques hybrides. Elle combine différents types d'objets quantiques et tente de transférer des informations quantiques entre les circuits à micro-ondes, le son, la lumière et le moment angulaire intrinsèque des électrons, connu sous le nom de spins. Lorsque ces différents systèmes quantiques interagissent les uns avec les autres, des phénomènes physiques intéressants apparaissent et, un jour, des technologies plus puissantes en feront autant, espère Yiwen Chu. «Nous utilisons notre compréhension actuelle de la mécanique quantique pour développer de nouvelles technologies qui pourraient être utiles dans la vie de tous les jours.»

À différents endroits à la fois

De nombreuses technologies déjà utilisées quotidiennement sont basées sur la science quantique : par exemple, les puces informatiques, les lasers et l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Dans le petit monde de la mécanique quantique, les règles qui s'appliquent diffèrent de celles du monde visible à l'œil nu. Par exemple, les particules peuvent se trouver à plusieurs endroits à la fois ou dans une superposition quantique - c'est-à-dire dans plusieurs états en même temps - jusqu'à ce qu'elles soient mesurées.

Si les scientifiques sont depuis longtemps capables de visualiser et de travailler avec les différents états quantiques à l'échelle microscopique, cela n'a pas été possible jusqu'à présent à l'échelle des objets de la vie quotidienne. «Nous travaillons à la mise au point de nouveaux systèmes qui nous permettront de détecter des phénomènes de mécanique quantique, tels que les superpositions, dans des objets plus grands», explique Yiwen Chu.

Recherche spécifique pour les questions fondamentales

La recherche quantique fêtera son 100^e anniversaire l'année prochaine. Ces dernières années, elle a connu un essor fulgurant dans le monde entier, notamment en raison de la course à la construction de puissants superordinateurs basés sur les lois de la mécanique quantique.

Néanmoins, le groupe Hybrid Quantum Systems de l'ETH Zurich, fondé par Yiwen Chu en 2019, continue de mener des recherches dans un domaine hautement spécialisé. «Nous utilisons des matériaux extraordinaires, des objets physiques spéciaux et des techniques inhabituelles pour les expériences menées dans notre laboratoire», explique-t-elle. «Il y a très peu de groupes dans le monde qui travaillent sur quelque chose de similaire».

Selon Yiwen Chu, la recherche quantique comporte encore de nombreuses inconnues. Par exemple, la question de savoir si la mécanique quantique peut s'appliquer aux objets de la vie quotidienne. Nous supposons qu'il n'est pas possible de réaliser la célèbre expérience de pensée de Schrödinger dans le monde réel, dit-elle, parce que personne n'a jamais vu un chat mort et vivant en même temps. «Mais personne ne sait avec certitude si un chat peut ou non se trouver dans une superposition», ajoute la physicienne quantique en riant.

La façon dont la mécanique quantique interagit avec d'autres forces, telles que la gravité, constitue un autre mystère. «Ce sont deux des plus grandes questions de la physique auxquelles nous n'avons pas de réponse concluante à l'heure actuelle. Nos recherches tentent de trouver des réponses à ces questions».

Produire le chat de Schrödinger en laboratoire

L'année dernière, Yiwen Chu et son équipe ont réussi pour la première fois à produire un chat de Schrödinger particulièrement lourd: un cristal oscillant pour représenter le chat, un circuit supraconducteur qui joue le rôle de l'atome d'origine et une couche de matériau piézoélectrique qui génère un champ électrique lorsque le cristal change de forme pendant qu'il oscille. Les scientifiques ont réussi à faire osciller le cristal dans deux directions simultanément - haut/bas et bas/haut, par exemple. Ces deux directions représentent les états «vivant» et «mort» du chat.

Ces résultats pourraient être utilisés pour rendre les technologies quantiques plus efficaces. Par exemple, les informations quantiques stockées dans des qubits pourraient être rendues plus robustes en utilisant des états de chat constitués d'un très grand nombre d'atomes dans un cristal plutôt que de s'appuyer sur des atomes ou des ions uniques, comme c'est le cas actuellement.

Cristaux vibrants

Le groupe de Yiwen Chu s'efforce à présent d'augmenter encore la masse de ces chats de cristal. Selon la physicienne quantique expérimentale, cela lui permettra, ainsi qu'à ses collègues, de mieux comprendre les raisons de la disparition des effets quantiques dans le monde macroscopique des vrais chats.

Jusqu'à présent, les plus grands objets possibles qui se comportent de manière quantique sont des cristaux d'un demi-millimètre de diamètre. Jamais auparavant des superpositions quantiques n'ont été détectées dans des objets plus grands.

L'observation des phénomènes quantiques est fondamentalement difficile car les états quantiques sont très fragiles. Plus un objet est grand, plus il est complexe de s'assurer que tous les composants conservent leurs propriétés quantiques. Si la moindre quantité d'énergie s'échappe du système, l'état quantique peut être détruit.

Ce qui rend les cristaux si adaptés à ces expériences, c'est qu'ils peuvent stocker de l'énergie pendant très longtemps. C'est pourquoi les montres ont toujours utilisé des cristaux de quartz. «Nous utilisons ces oscillations dans le cristal parce qu'elles peuvent conserver l'énergie et les états quantiques - en d'autres termes, l'information quantique - pendant une très longue période, ce qui nous donne le temps d'en faire quelque chose», explique Yiwen Chu.

Sa passion pour la mécanique quantique hybride est à la fois évidente et inspirante. Cette jeune femme de 38 ans est inarrêtable lorsqu'il s'agit de son domaine d'expertise. Son enthousiasme pour la physique quantique remonte à ses études : «J'aimais le travail pratique en laboratoire. Mais j'étais également fascinée par les concepts de la physique quantique».

Le moment où le déclic s'est produit

Yiwen Chu a passé les premières années de sa vie à Pékin, la capitale de la Chine. À l'âge de huit ans, elle a déménagé avec ses parents aux États-Unis et a grandi à Pittsburgh. Pendant son doctorat à Harvard en 2014, elle a étudié le comportement des diamants dans les systèmes optiques quantiques. En tant que chercheuse postdoctorale à Yale, Yiwen Chu a commencé à travailler sur la mécanique dans les cristaux et les systèmes quantiques hybrides - mais plus par hasard qu'autre chose. «Pendant une pause, je discutais avec des chercheuses et chercheurs d'un autre groupe dont le laboratoire se trouvait dans le même couloir que notre laboratoire d'optique quantique. J'étais fasciné et j'ai eu l'idée de combiner ce sur quoi je travaillais à l'époque avec leurs domaines de recherche, à savoir l'optique non linéaire et l'optomécanique».

Cela a conduit Yiwen Chu sur un terrain scientifique inconnu. «Pour ce nouveau type de système, nous avons dû assembler des objets que je ne connaissais pas et je ne savais pas si cela fonctionnerait au bout du compte», explique-t-elle. «Je me souviens m'être assise dans le laboratoire et avoir effectué des mesures, puis m'être rendu compte que les données confirmaient que le dispositif fonctionnait exactement comme je l'avais conçu sur le papier. Elle se souvient de son enthousiasme et a toujours en sa possession le dossier du laboratoire avec la note «Oui, ça marche !».

À l'époque, Yiwen Chu pensait qu'il s'agissait d'un sujet nouveau et intéressant sur lequel elle pourrait probablement travailler pendant quelques années. «Je n'avais aucune idée de l'ampleur que prendrait mon travail. Et maintenant, cela a donné naissance à tout un programme de recherche», dit-elle, l'air encore étonné.

«Les attentes ont été dépassées

Venir à l'ETH Zurich a été une décision facile à prendre, dit Yiwen Chu. «Il y a beaucoup de gens ici qui travaillent dans des domaines similaires et nous pouvons tous en profiter. Cependant, la création du Quantum Centre à l'ETH Zurich en 2021 a également joué un rôle important. «Ce centre de recherche rapproche la communauté», ajoute-t-elle.

Les collègues de Yiwen Chu apprécient vraiment de travailler avec elle. «Yiwen avait déjà une brillante carrière avant de nous rejoindre en 2019», déclare Atac Imamoglu, professeur à l'Institut d'électronique quantique. Les attentes à son égard étaient donc élevées. «Cependant, ses réalisations à l'ETH Zurich, dans un domaine très compétitif et dans les limites imposées par la pandémie pendant la période de construction de son laboratoire, nous ont tout simplement stupéfiés, mes collègues et moi. Nous avons vraiment de la chance de l'avoir dans notre département». C'est Atac Imamoglu qui a proposé sa collègue pour le prix Latsis.

«Reconnaissance pour l'ensemble de l'équipe

Yiwen Chu a reçu le prix Sackler de physique en 2021. Le 16 novembre, la jeune professeure ajoutera à sa collection le prix Latsis de l'ETH Zurich. Doté de 25'000 francs suisses, ce prix récompense «ses réalisations exceptionnelles dans le domaine des systèmes quantiques hybrides», selon le discours de présentation.

Yiwen Chu se dit très honorée et heureuse de savoir que son domaine de recherche suscite de l'intérêt, peut-être même auprès d'un public plus large. Elle ajoute toutefois que l'ensemble de l'équipe mérite ce prix. «C'est peut-être moi qui ai gagné le prix, mais le travail a été réalisé par de nombreuses personnes de mon groupe. Ce prix témoigne de l'effort que chacun a fourni.»

Sortir de la zone de confort

Entre-temps, la physicienne s'est lancé un nouveau défi : Chu est devenue mère cet été. «C'est très agréable d'essayer quelque chose de complètement différent», dit-elle. Dans ses recherches quotidiennes sur la physique quantique, beaucoup de choses se déroulent de manière ordonnée. La naissance de son fils les a fait sortir de leur zone de confort, elle et son partenaire, également physicien, explique la professeure. "Élever un enfant est quelque chose que nous ne pouvons pas contrôler. Cela me donne de l'énergie et m'encourage à essayer de nouvelles choses et à prendre des risques».

Cela a également un impact sur son travail quotidien, explique Mme Chu, qui est revenue récemment à l'ETH après son congé de maternité. «Je me sens revitalisée et épanouie dans mon travail professionnel.