Ouvrir la voie aux capteurs quantiques avancés
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La physique quantique a permis la création de capteurs dépassant de loin la précision des appareils classiques. Maintenant, plusieurs études en Nature montrent que la précision de ces capteurs quantiques peut être considérablement améliorée en utilisant l’intrication produite par des interactions à portée finie. Les chercheurs d’Innsbruck dirigés par Christian Roos ont pu démontrer cette amélioration en utilisant des chaînes d’ions enchevêtrées contenant jusqu’à 51 particules.
Les institutions métrologiques du monde entier gèrent notre temps à l’aide d’horloges atomiques basées sur les oscillations naturelles des atomes. Ces horloges, essentielles pour des applications comme la navigation par satellite ou le transfert de données, ont récemment été améliorées grâce à l’utilisation de fréquences d’oscillation toujours plus élevées dans les horloges atomiques optiques. Aujourd’hui, des scientifiques de l’Université d’Innsbruck et de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences dirigés par Christian Roos montrent comment une manière particulière de créer l’intrication peut être utilisée pour améliorer encore la précision des mesures intégrées à fonction d’une horloge atomique optique.
Erreur de mesure réduite de moitié lors de l’expérience
Les observations de systèmes quantiques sont toujours soumises à une certaine incertitude statistique. “Cela est dû à la nature du monde quantique”, explique Johannes Franke de l’équipe de Christian Roos. “L’enchevêtrement peut nous aider à réduire ces erreurs.” Avec le soutien de la théoricienne Ana Maria Rey du JILA à Boulder, aux États-Unis, les physiciens d’Innsbruck ont testé en laboratoire la précision des mesures sur un ensemble de particules intriquées. Les chercheurs ont utilisé des lasers pour régler l’interaction des ions alignés dans une chambre à vide et les ont enchevêtrés. “L’interaction entre les particules voisines diminue avec la distance entre les particules. C’est pourquoi nous avons utilisé des interactions d’échange de spin pour permettre au système de se comporter de manière plus collective”, explique Raphael Kaubrügger du Département de physique théorique de l’Université d’Innsbruck. Ainsi, toutes les particules de la chaîne étaient enchevêtrées les unes dans les autres et produisaient un état quantique dit comprimé. Grâce à cela, les physiciens ont pu montrer que les erreurs de mesure peuvent être réduites de moitié environ en intriquant 51 ions par rapport aux particules individuelles. Auparavant, la détection améliorée par intrication reposait principalement sur des interactions infinies, limitant son applicabilité à certaines plates-formes quantiques uniquement.
Des horloges encore plus précises
Grâce à leurs expériences, les physiciens quantiques d’Innsbruck ont pu montrer que l’intrication quantique rend les capteurs encore plus sensibles. “Nous avons utilisé dans nos expériences une transition optique qui est également utilisée dans les horloges atomiques”, explique Christian Roos. Cette technologie pourrait améliorer les domaines dans lesquels les horloges atomiques sont actuellement utilisées, comme la navigation par satellite ou le transfert de données. De plus, ces horloges avancées pourraient ouvrir de nouvelles possibilités dans des domaines tels que la recherche de matière noire ou la détermination des variations temporelles de constantes fondamentales.
Christian Roos et son équipe souhaitent désormais tester la nouvelle méthode dans des ensembles d’ions bidimensionnels. Les résultats actuels ont été publiés dans la revue Nature. Dans le même numéro, des chercheurs ont publié des résultats très similaires utilisant des atomes neutres. La recherche à Innsbruck a été soutenue financièrement, entre autres, par le Fonds scientifique autrichien FWF et la Fédération des industries autrichiennes du Tyrol.
