Une nouvelle technique de mesure des atomes vibrants pourrait améliorer la précision des horloges atomiques et des capteurs quantiques pour détecter la matière noire ou
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Un minuscule univers d’informations est contenu dans les vibrations quantiques des atomes. Les scientifiques peuvent affiner la précision des horloges atomiques ainsi que des capteurs quantiques s’ils peuvent mesurer avec précision ces oscillations atomiques et leur évolution dans le temps. Les capteurs quantiques, qui sont des systèmes d’atomes dont les fluctuations peuvent être utilisées comme détecteur, peuvent indiquer la présence de matière noire, une onde gravitationnelle passante, ou même de nouveaux phénomènes inattendus.
Le bruit du monde classique, qui peut rapidement maîtriser les petites vibrations atomiques et rendre toute modification de ces oscillations diaboliquement difficile à détecter, est un obstacle important à l’amélioration des mesures quantiques.
Cependant,
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribut=””>MIT[{“attribute=””>MIT Les physiciens ont récemment démontré qu’ils pouvaient amplifier de manière significative les changements quantiques des vibrations atomiques, en soumettant les particules à deux processus clés : l’intrication quantique et l’inversion du temps.
Avant de sortir et d’acheter une DeLorean, laissez-moi vous assurer qu’ils n’ont pas découvert un moyen d’inverser le temps lui-même. Au lieu de cela, les scientifiques ont forcé les atomes intriqués quantiquement à agir comme s’ils évoluaient en arrière dans le temps. Toutes les modifications des oscillations atomiques ont été amplifiées et rendues faciles à surveiller car les chercheurs ont essentiellement rembobiné la bande des oscillations atomiques.
Dans une recherche publiée le 14 juillet 2022 dans la revue <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Physiquedelanature[{“attribute=””>NaturePhysicsl’équipe de scientifiques démontre que la technique, qu’ils ont nommée SATIN (pour l’amplification du signal par inversion du temps), est la méthode la plus sensible jamais développée pour mesurer les fluctuations quantiques.
Les physiciens du MIT ont montré qu’ils pouvaient amplifier de manière significative les changements quantiques des vibrations atomiques, en soumettant les particules à deux processus clés : l’intrication quantique et l’inversion du temps. Crédit : Jose-Luis Olivares, MIT, avec des chiffres d’iStockphoto
La technique pourrait améliorer la
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>précision[{“attribute=””>accuracy des horloges atomiques les plus avancées d’aujourd’hui par un facteur de 15, ce qui rend leur synchronisation si précise que les horloges seraient décalées de moins de 20 millisecondes sur tout l’âge de l’univers. La technique pourrait également être utilisée pour affiner davantage les capteurs quantiques conçus pour détecter ondes gravitationnelles, matière noireet d’autres phénomènes physiques.
“Nous pensons que c’est le paradigme du futur”, déclare l’auteur principal Vladan Vuletic, professeur Lester Wolfe de physique au MIT. “Toute interférence quantique qui fonctionne avec de nombreux atomes peut bénéficier de cette technique.”
Les co-auteurs du MIT de l’étude incluent le premier auteur Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez et Chi Shu.
Chronométreurs emmêlés
Un type donné de
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>atome[{“attribute=””>atom vibre à une fréquence particulière et constante qui, si elle est correctement mesurée, peut servir de pendule très précis, gardant le temps à des intervalles beaucoup plus courts que la seconde d’une horloge de cuisine. Mais à l’échelle d’un seul atome, les lois de la mécanique quantique prennent le dessus et l’oscillation de l’atome change comme la face d’une pièce à chaque fois qu’elle est retournée. Ce n’est qu’en prenant de nombreuses mesures d’un atome que les scientifiques peuvent obtenir une estimation de son oscillation réelle – une limitation connue sous le nom de limite quantique standard.
Dans des horloges atomiques de pointe, les physiciens mesurent l’oscillation de milliers d’atomes ultrafroids, plusieurs fois, pour augmenter leurs chances d’obtenir une mesure précise. Néanmoins, ces systèmes comportent une certaine incertitude et leur chronométrage pourrait être plus précis.
Les chercheurs du MIT ont utilisé un système de lasers pour d’abord emmêler, puis inverser l’évolution d’un nuage d’atomes ultrafroids. Crédit : Simone Colombo
En 2020, le groupe de Vuletic a montré que la précision des courants les horloges atomiques pourraient être améliorées en enchevêtrant les atomes – un phénomène quantique par lequel les particules sont contraintes de se comporter dans un état collectif hautement corrélé. Dans cet état intriqué, les oscillations des atomes individuels devraient se déplacer vers une fréquence commune qui nécessiterait beaucoup moins de tentatives pour être mesurée avec précision.
“À l’époque, nous étions encore limités par la qualité de notre lecture de la phase d’horloge”, explique Vuletic.
Autrement dit, les outils utilisés pour mesurer les oscillations atomiques n’étaient pas assez sensibles pour lire ou mesurer tout changement subtil dans les oscillations collectives des atomes.
Inverser le signe
Dans leur nouvelle étude, au lieu d’essayer d’améliorer la résolution des outils de lecture existants, l’équipe a cherché à amplifier le signal de tout changement dans les oscillations, de sorte qu’elles puissent être lues par les outils actuels. Ils l’ont fait en exploitant un autre phénomène curieux de la mécanique quantique : l’inversion du temps.
On pense qu’un système purement quantique, tel qu’un groupe d’atomes complètement isolé du bruit classique quotidien, devrait évoluer dans le temps de manière prévisible, et les interactions des atomes (telles que leurs oscillations) devraient être décrites précisément par le « Hamiltonien » du système — essentiellement, une description mathématique de l’énergie totale du système.
Dans les années 1980, les théoriciens ont prédit que si l’hamiltonien d’un système était inversé et que le même système quantique était amené à dé-évoluer, ce serait comme si le système remontait dans le temps.
“En mécanique quantique, si vous connaissez l’hamiltonien, vous pouvez suivre ce que fait le système dans le temps, comme une trajectoire quantique”, explique Pedrozo-Peñafiel. “Si cette évolution est complètement quantique, la mécanique quantique vous dit que vous pouvez dé-évoluer, ou revenir en arrière et revenir à l’état initial.”
“Et l’idée est que si vous pouviez inverser le signe de l’hamiltonien, chaque petite perturbation qui s’est produite après l’évolution du système serait amplifiée si vous remontiez dans le temps”, ajoute Colombo.
On voit ici la chambre dans laquelle les chercheurs ont piégé et enchevêtré un nuage de 400 atomes d’ytterbium ultrafroids. Crédit : Simone Colombo
Pour leur nouvelle étude, l’équipe a étudié 400 atomes ultrafroids d’ytterbium, l’un des deux types d’atomes utilisés dans les horloges atomiques d’aujourd’hui. Ils ont refroidi les atomes à juste un cheveu au-dessus
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>zéroabsolu[{“attribute=””>absolutezeroà des températures où la plupart des effets classiques tels que la chaleur s’estompent et où le comportement des atomes est régi uniquement par des effets quantiques.
L’équipe a utilisé un système de lasers pour piéger les atomes, puis a envoyé une lumière “enchevêtrée” teintée de bleu, qui a contraint les atomes à osciller dans un état corrélé. Ils ont laissé les atomes intriqués évoluer dans le temps, puis les ont exposés à un petit champ magnétique, qui a introduit un minuscule changement quantique, décalant légèrement les oscillations collectives des atomes.
Un tel déplacement serait impossible à détecter avec les outils de mesure existants. Au lieu de cela, l’équipe a appliqué l’inversion du temps pour amplifier ce signal quantique. Pour ce faire, ils ont envoyé un autre laser teinté de rouge qui a stimulé les atomes à se démêler, comme s’ils évoluaient à rebours dans le temps.
Ils ont ensuite mesuré les oscillations des particules lorsqu’elles se sont réinstallées dans leurs états non enchevêtrés et ont constaté que leur phase finale était nettement différente de leur phase initiale – preuve claire qu’un changement quantique s’était produit quelque part dans leur évolution vers l’avant.
L’équipe a répété cette expérience des milliers de fois, avec des nuages allant de 50 à 400 atomes, observant à chaque fois l’amplification attendue du signal quantique. Ils ont découvert que leur système intriqué était jusqu’à 15 fois plus sensible que des systèmes atomiques non intriqués similaires. Si leur système était appliqué aux horloges atomiques à la pointe de la technologie, cela réduirait le nombre de mesures nécessaires à ces horloges d’un facteur 15.
À l’avenir, les chercheurs espèrent tester leur méthode sur des horloges atomiques, ainsi que sur des capteurs quantiques, par exemple pour la matière noire.
“Un nuage de matière noire flottant au-dessus de la Terre pourrait changer l’heure localement, et ce que font certaines personnes, c’est comparer des horloges, par exemple, en Australie avec d’autres en Europe et aux États-Unis pour voir si elles peuvent détecter des changements soudains dans le temps qui passe”, explique Vuletic. . “Notre technique est exactement adaptée à cela, car vous devez mesurer des variations de temps qui changent rapidement au fur et à mesure que le nuage passe.”
Référence : « Time-reversal-based quantum metrology with many-body intangled states » par Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert F. Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Chi Shu et Vladan Vuletić, 14 juillet 2022, Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-022-01653-5
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la National Science Foundation et l’Office of Naval Research.
