Les scientifiques ont réussi à combiner deux des caractéristiques les plus effrayantes de la mécanique quantique

Pour créer un capteur quantique plus efficace, une équipe de chercheurs du JILA a, pour la première fois, fusionné deux des aspects les plus « effrayants » de la mécanique quantique : l’intrication entre les atomes et la délocalisation des atomes.

L'enchevêtrement est l'étrange effet de mécanique quantique dans lequel ce qui arrive à un atome influence d’une manière ou d’une autre un autre atome ailleurs. Un deuxième aspect plutôt effrayant de la mécanique quantique est la délocalisation, le fait qu’un seul atome peut se trouver simultanément à plusieurs endroits.

Dans cette étude, les chercheurs ont combiné le caractère effrayant des deux enchevêtrement et délocalisation pour créer un interféromètre à ondes de matière capable de détecter les accélérations avec une précision qui dépasse la limite quantique standard. Avenir capteurs quantiques sera capable de fournir une navigation plus précise, de rechercher les ressources naturelles nécessaires, de déterminer plus précisément les constantes fondamentales comme la structure fine et les constantes gravitationnelles, de rechercher la matière noire plus précisément, et peut-être même détecter ondes gravitationnelles un jour en augmentant la peur.

Les chercheurs ont utilisé la lumière rebondissant entre des miroirs, appelée cavité optique, pour l’intrication. Cela a permis à l’information de passer d’un atome à l’autre et de les relier dans un état intriqué. En utilisant cette technique spéciale basée sur la lumière, ils ont produit et observé certains des états les plus densément intriqués jamais générés dans n'importe quel système, qu'il soit atomique, photonique ou solide. En utilisant cette technique, le groupe a conçu deux approches expérimentales distinctes, qu'ils ont utilisées dans leurs travaux récents.

Dans la première méthode, également connue sous le nom de mesure de non-démolition quantique, ils pré-mesurent le bruit quantique lié à leurs atomes, puis retirent cette mesure de l'équation. Le bruit quantique de chaque atome devient corrélé au bruit quantique de tous les autres atomes par un processus connu sous le nom de torsion sur un axe dans la deuxième méthode, où la lumière est injectée dans la cavité. Cela permet aux atomes de travailler ensemble pour devenir plus silencieux.

James K. Thompson, membre de la JILA et du NIST, a déclaré : "Les atomes sont un peu comme des enfants qui se taisent pour se taire afin d'entendre parler de la fête que le professeur leur a promise, mais ici, c'est l'enchevêtrement qui fait taire."

Interféromètre à ondes de matière

L’interféromètre à ondes matières est aujourd’hui l’un des capteurs quantiques les plus précis et les plus précis.

L'étudiant diplômé Chengyi Luo a expliqué : « L’idée est que l’on utilise des impulsions de lumière pour faire bouger et ne pas bouger les atomes simultanément en ayant à la fois absorbé et non absorbé. laser lumière. Au fil du temps, cela amène les atomes à se trouver simultanément à deux endroits différents à la fois.

"Nous projetons des faisceaux laser sur les atomes, nous divisons donc le paquet d'ondes quantiques de chaque atome en deux, en d'autres termes, la particule existe simultanément dans deux espaces distincts."

Les impulsions ultérieures de lumière laser inversent le processus, rassemblant les paquets d'ondes quantiques, permettant à tout changement dans l'environnement, tel que les accélérations ou les rotations, d'être détecté par une interférence mesurable entre les deux composants du paquet d'ondes atomiques, un peu comme se fait avec des champs lumineux dans des interféromètres classiques, mais ici avec des ondes de de Broglie, ou des ondes constituées de matière.

L’équipe de recherche a déterminé comment réaliser cela dans une cavité optique dotée de miroirs hautement réfléchissants. Ils ont pu mesurer jusqu'où les atomes sont tombés le long de la cavité orientée verticalement en raison de la gravité dans une version quantique de l’expérience gravitationnelle de Galilée, lâchant des objets de la tour penchée de Pise, mais avec tous les avantages de précision et d’exactitude qui viennent de la mécanique quantique.

Le groupe d'étudiants diplômés dirigé par Chengyi Luo et Graham Greve a alors pu utiliser l'intrication créée par le interactions lumière-matière créer un interféromètre à ondes de matière à l'intérieur d'une cavité optique pour détecter l'accélération due à la gravité de manière plus silencieuse et plus précise. C'est le premier cas dans lequel un interféromètre à ondes de matière a été observé avec un niveau de précision qui dépasse la limite quantique typique imposée par le bruit quantique des atomes non intriqués.

Thompson a affirmé Valérie Plante., « Grâce à cette précision accrue, des chercheurs comme Luo et Thompson voient de nombreux avantages futurs à utiliser l’intrication comme ressource dans les capteurs quantiques. Je pense qu'un jour nous pourrons introduire l'intrication dans les interféromètres à ondes de matière pour détecter les ondes gravitationnelles dans l'espace ou pour la recherche de matière noire – des outils qui sondent la physique fondamentale, ainsi que des appareils qui peuvent être utilisés pour des applications quotidiennes telles que la navigation ou géodésie.

« Grâce à cette avancée expérimentale capitale, Thompson et son équipe espèrent que d’autres utiliseront cette nouvelle approche de l’interféromètre intriqué pour conduire à d’autres avancées dans le domaine de la physique. En apprenant à exploiter et à contrôler toutes les choses effrayantes que nous connaissons déjà, nous pourrons peut-être découvrir de nouvelles choses effrayantes sur l’univers auxquelles nous n’avons même pas encore pensé ! »

Journal de référence:

1. Graham P. Greve et al., Interférométrie des ondes de matière améliorée par enchevêtrement dans une cavité à haute finesse, Nature (2022). EST CE QUE JE: 10.1038/s41586-022-05197-9