Ce qu’elle fait tous les jours est difficile à faire comprendre aux profanes, explique Yiwen Chu. Car dans la vie de tous les jours, nous ne voyons rien qui se comporte selon la mécanique quantique.
La professeure de l’EPFZ expérimente des systèmes quantiques hybrides. Pour ce faire, elle combine différents types d’objets quantiques et tente de transmettre des informations quantiques entre les circuits micro-ondes, le son, la lumière et le moment cinétique propre des électrons, appelé spin. Lorsque ces différents systèmes quantiques interagissent, des phénomènes physiques intéressants apparaissent et, un jour, espère Chu, des technologies plus performantes. "Nous utilisons notre compréhension actuelle de la mécanique quantique pour développer de nouvelles technologies qui pourraient nous être utiles dans la vie quotidienne".
A différents endroits en même temps
De nombreuses technologies que nous utilisons déjà au quotidien sont basées sur la science quantique, par exemple les puces informatiques, les lasers ou l’imagerie par résonance magnétique (IRM ou MRI). Dans le monde minuscule de la mécanique quantique, les règles ne sont pas les mêmes que dans le monde visible à l’½il nu. Par exemple, les particules peuvent se trouver à plusieurs endroits au même moment ou être en superposition quantique - c’est-à-dire être dans plusieurs états en même temps - jusqu’à ce qu’on les mesure.Alors que les chercheurs peuvent depuis longtemps visualiser et travailler avec les différents états quantiques à l’échelle microscopique, cela n’est pas encore possible pour les objets du quotidien. "Nous travaillons à la mise au point de nouveaux systèmes permettant de détecter des phénomènes de mécanique quantique tels que les superpositions, même sur des objets plus grands", explique Chu.
Une recherche spécifique pour des questions fondamentales
La recherche quantique, qui fêtera son centenaire l’année prochaine, a connu une poussée de croissance dans le monde entier, en particulier ces dernières années, notamment en raison de la course aux superordinateurs performants basés sur les lois de la mécanique quantique.
"Nous voulons à la fois développer de nouvelles technologies et faire progresser la compréhension fondamentale de la physique quantique".
Dans la recherche quantique, beaucoup de choses sont encore inconnues, dit la professeure de physique des solides. Par exemple, si la mécanique quantique peut s’appliquer ou non aux objets du quotidien. Nous partons du principe que la célèbre expérience de pensée de Schrödinger n’est pas possible dans le monde réel, car personne n’a bien sûr jamais vu un chat mort et vivant en même temps, explique Chu. "Mais personne ne connaît encore avec certitude la réponse à la question de savoir si un chat peut être dans une superposition", dit la physicienne quantique en riant.
Une autre énigme est de savoir comment la mécanique quantique interagit avec d’autres forces, par exemple la gravité. "Ce sont deux des plus grandes questions de la physique auxquelles nous n’avons actuellement pas encore de réponses concluantes. Nos recherches tentent d’y apporter des réponses".
Le chat de Schrödinger
L’énigme des différents états qu’un objet peut avoir en même temps préoccupait déjà le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1935. Pour traduire cette contradiction dans le monde réel, il s’est aidé d’une expérience de pensée : un chat se trouve dans une caisse contenant une substance toxique qui est libérée par un processus aléatoire de la mécanique quantique. Tant que la boîte est fermée, nous ne savons pas si le chat est vivant ou mort - il est dans un état de superposition, donc à la fois vivant et mort, jusqu’à ce que nous vérifiions.Le chat de Schrödinger fabriqué en laboratoire
L’année dernière, Yiwen Chu et son équipe ont réussi pour la première fois à fabriquer un chat de Schrödinger particulièrement lourd : avec un cristal oscillant qui représente le chat, un circuit supraconducteur qui joue le rôle de l’atome original et une couche de matériau piézoélectrique qui génère un champ électrique lorsque le cristal change de forme pendant les oscillations. Les chercheurs ont réussi à faire osciller le cristal simultanément dans deux directions - par exemple haut/bas et bas/haut. Ces deux directions représentent les états "vivant" ou "mort" du chat.
Des cristaux qui vibrent
Le groupe de Chu travaille à présent à augmenter encore la masse de ces cristaux-chats. Cela leur permettra de mieux comprendre les raisons de la disparition des effets quantiques dans le monde macroscopique des vrais chats, explique la physicienne quantique expérimentale.Les objets les plus grands possibles qui se comportent selon la mécanique quantique sont actuellement des cristaux d’un demi-millimètre. Il n’a jamais été possible de mettre en évidence des superpositions quantiques 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 ses composants conservent leur propriété quantique. Si la moindre parcelle d’énergie s’échappe du système, l’état quantique peut être détruit.
Si les cristaux se prêtent si bien à l’expérimentation, c’est parce qu’ils peuvent stocker de l’énergie pendant très longtemps. C’est pourquoi les cristaux de quartz sont utilisés depuis toujours dans les montres. "Nous utilisons ces vibrations dans le cristal parce qu’elles peuvent conserver l’énergie et les états quantiques, c’est-à-dire l’information quantique, très longtemps, ce qui nous donne le temps de faire réellement quelque chose avec", explique Chu.
Le moment où le déclic s’est produit
Chu a passé les premières années de sa vie à Pékin, la capitale chinoise. À l’âge de huit ans, elle a déménagé avec ses parents à Pittsburgh (États-Unis), où elle a grandi. Pendant son doctorat à Harvard en 2014, elle a étudié le comportement des diamants dans les systèmes d’optique quantique. En tant que post-doctorante à Yale, Chu a commencé à s’intéresser à la mécanique dans les cristaux et les systèmes quantiques hybrides - mais en fait plutôt par hasard. "Pendant une pause, je discutais avec des chercheurs d’un autre groupe dont le laboratoire se trouvait par hasard dans le même couloir que notre laboratoire d’optique quantique. J’ai été fasciné et j’ai eu l’idée de combiner ce sur quoi je travaillais à l’époque avec leurs domaines de recherche, l’optique non linéaire et l’optomécanique"."Beaucoup de choses dans mon domaine de recherche ne sont pas encore découvertes et de nombreuses questions restent ouvertes - c’est ce qui me plaît et me motive".
La scientifique s’est ainsi aventurée en terrain inconnu. "Pour ce nouveau système, il fallait assembler des objets avec lesquels je n’étais pas familière, et je ne savais pas si cela fonctionnerait au final. Je me souviens d’être assise dans le laboratoire et d’avoir fait des mesures. Et comment les données me confirmaient que l’appareil fonctionnait comme je l’avais conçu sur le papier", raconte Chu. C’était très excitant. Elle a toujours ses notes de laboratoire avec la mention "Oui, ça marche !
Elle pensait alors que c’était quelque chose d’intéressant et de nouveau sur lequel elle pourrait travailler pendant quelques années. "Je n’avais aucune idée de l’étendue de mes recherches. Et maintenant, tout ce programme de recherche s’est développé à partir de là", dit-elle, l’air encore étonné.
"Des attentes dépassées ".
La décision de venir à l’ETH Zurich a été facile à prendre, explique la chercheuse en physique quantique. "Beaucoup de gens travaillent ici dans des domaines similaires, et nous pouvons profiter les uns des autres". Mais la création du Quantum Center de l’ETH en 2021 a également été importante. "Ce centre de recherche rapproche la communauté", dit Chu.
Yiwen avait déjà une brillante carrière avant de nous rejoindre en 2019 ", explique Atac Imamoglu, professeur à l’Institut d’électronique quantique. Selon lui, les attentes à son égard étaient donc très élevées. "Mais ses performances à l’EPF, le fait de travailler dans un environnement très compétitif et les contraintes imposées par la pandémie pendant la mise en place de son laboratoire nous ont bouleversés, moi et mes collègues. Nous sommes très heureux qu’elle travaille dans notre département". C’est donc Imamoglu qui a nommé sa collègue pour le Prix Latsis.
"Une reconnaissance pour toute l’équipe "
La jeune professeure a reçu le prix Sackler en physique en 2021. Le 16 novembre, elle recevra à son tour le Prix Latsis de l’ETH Zurich. Chu reçoit le prix doté de 25’000 francs suisses pour "ses performances exceptionnelles dans le domaine des systèmes quantiques hybrides", comme l’indique la laudatio.Elle se sent très honorée, dit Chu. C’est agréable de savoir que son domaine suscite de l’intérêt, peut-être même auprès d’un public plus large. Mais elle ajoute que le prix revient à toute l’équipe. "Je suis certes celle qui remporte le prix, mais le travail a été réalisé par tant de personnes dans mon groupe. Ce prix est une reconnaissance du travail de tous".
Un pas hors de la zone de confort
Entre-temps, la physicienne quantique s’est lancée un nouveau défi : Elle est devenue mère cet été. "C’est agréable d’oser quelque chose de complètement différent", dit Chu. Dans son quotidien de chercheuse, beaucoup de choses se déroulent selon un rythme bien rodé. La naissance de son fils la fait sortir, elle et son partenaire, qui est également physicien, de leur zone de confort. "Elever un enfant échappe à notre contrôle. Cela me stimule et m’encourage à essayer de nouvelles choses et à prendre des risques".Cela se répercute également sur son travail quotidien, explique la professeure, qui vient de revenir à l’EPF après son congé de maternité. "Je ressens beaucoup d’élan et de joie dans mon activité professionnelle".
