Déterminer le passage du temps dans notre monde d’horloges à tic-tac et de pendules oscillants est un simple cas de comptage des secondes entre « alors » et « maintenant ».
À l’échelle quantique des électrons bourdonnants, cependant, “alors” ne peut pas toujours être anticipé. Pire encore, « maintenant » devient souvent flou. Un chronomètre ne fonctionnera tout simplement pas dans certains scénarios.
Une solution potentielle pourrait être trouvée dans la forme même du brouillard quantique lui-même, selon une étude réalisée en 2022 par des chercheurs de l’Université d’Uppsala en Suède.
Leurs expériences sur la nature ondulatoire de ce qu’on appelle un état de Rydberg ont révélé une nouvelle façon de mesurer le temps qui ne nécessite pas de point de départ précis.
Atomes de Rydberg sont les ballons surgonflés du règne des particules. Gonflés par des lasers au lieu d’air, ces atomes contiennent des électrons dans des états d’énergie extrêmement élevés, en orbite loin du noyau.
Bien sûr, toutes les pompes d’un laser n’ont pas besoin de gonfler un atome jusqu’à des proportions caricaturales. En fait, les lasers sont couramment utilisés pour chatouiller les électrons dans des états d’énergie plus élevés pour une variété d’utilisations.
Dans certaines applications, un deuxième laser peut être utilisé pour surveiller les changements de position de l’électron, y compris le passage du temps. Ces ‘pompe-sonde‘ peuvent être utilisées pour mesurer la vitesse de certains appareils électroniques ultrarapides, par exemple.
Induire des atomes dans des états de Rydberg est une astuce pratique pour les ingénieurs, notamment lorsqu’il s’agit de concevoir de nouveaux composants pour les ordinateurs quantiques. Inutile de dire que les physiciens ont amassé une quantité importante d’informations sur la façon dont les électrons se déplacent lorsqu’ils sont poussés dans un état de Rydberg.
Étant des animaux quantiques, cependant, leurs mouvements ressemblent moins à des perles glissant sur un petit boulier, et plus à une soirée à la table de roulette, où chaque roulement et saut de la balle est comprimé en un seul jeu de hasard.
Le livre de règles mathématiques derrière ce jeu sauvage de la roulette électronique de Rydberg est appelé un paquet d’ondes de Rydberg.
Tout comme les ondes réelles, le fait d’avoir plus d’un paquet d’ondes de Rydberg ondulant dans un espace crée des interférences, entraînant des modèles uniques d’ondulations. Lancez suffisamment de paquets d’ondes Rydberg dans le même bassin atomique, et ces modèles uniques représenteront chacun le temps distinct nécessaire pour que les paquets d’ondes évoluent les uns par rapport aux autres.
Ce sont ces mêmes “empreintes digitales” du temps que les physiciens à l’origine de cet ensemble d’expériences ont entrepris de tester, montrant qu’elles étaient suffisamment cohérentes et fiables pour servir de forme d’horodatage quantique.
Leurs recherches consistaient à mesurer les résultats d’atomes d’hélium excités par laser et à faire correspondre leurs découvertes avec des prédictions théoriques pour montrer comment leurs résultats de signature pourraient durer un certain temps.
“Si vous utilisez un compteur, vous devez définir zéro. Vous commencez à compter à un moment donné”, a expliqué la physicienne Marta Berholts de l’Université d’Uppsala en Suède, qui dirigeait l’équipe. Nouveau scientifique en 2022.
“L’avantage de ceci est que vous n’avez pas à démarrer l’horloge – vous regardez simplement la structure d’interférence et dites” d’accord, ça fait 4 nanosecondes. “”
Un guide des paquets d’ondes de Rydberg en évolution pourrait être utilisé en combinaison avec d’autres formes de spectroscopie pompe-sonde qui mesurent des événements à une échelle minuscule, quand de temps en temps sont moins clairs, ou tout simplement trop peu pratiques à mesurer.
Il est important de noter qu’aucune des empreintes digitales ne nécessite un passé et un maintenant pour servir de point de départ et d’arrêt pour le temps. Ce serait comme mesurer la course d’un sprinteur inconnu contre un certain nombre de concurrents courant à des vitesses définies.
En recherchant la signature des états de Rydberg interférents au milieu d’un échantillon d’atomes pompe-sonde, les techniciens ont pu observer un horodatage pour des événements aussi fugaces que 1,7 billion de seconde.
Les futures expériences de montre quantique pourraient remplacer l’hélium par d’autres atomes, ou même utiliser des impulsions laser de différentes énergies, pour élargir le guide des horodatages afin de s’adapter à un plus large éventail de conditions.
Cette recherche a été publiée dans Recherche d’examen physique.
Une version antérieure de cet article a été publiée pour la première fois en octobre 2022.
