Une possibilité pour contourner le principe d’indétermination d’Heisenberg

Des chercheurs estiment qu’ils ont réussi à contourner le principe d’indétermination d’Heisenberg afin de créer des instruments d’une plus grande précision. En fait, ils ont simplement déplacé ce principe pour éviter de violer cette caractéristique fondamentale de la mécanique quantique. Ce principe d’indétermination d’Heisenberg postule qu’il est impossible de mesurer 2 propriétés d’une particule en même temps.


Des chercheurs estiment qu'ils ont réussi à contourner le principe d'indétermination d'Heisenberg afin de créer des instruments d'une plus grande précision. En fait, ils ont simplement déplacé ce principe pour éviter de violer cette caractéristique fondamentale de la mécanique quantique. Ce principe d'indétermination d'Heisenberg postule qu'il est impossible de mesurer 2 propriétés d'une particule en même temps.
Crédit : ICFO

Les capteurs de pointe tels que l’IRM ou les horloges atomiques sont capables de faire des mesures avec une très grande précision. L’IRM est utilisée pour cartographier les tissus du corps humain pour détecter des maladies tandis que la précision des horloges atomiques est cruciale pour le GPS, la synchronisation d’internet ou l’interférométrie à grande base dans la radio astronomie. On pourrait penser que ces 2 instruments n’ont aucun point commun, mais en fait, ces 2 technologies se basent sur la mesure précise du spin d’un atome (il est difficile de décrire le spin d’un atome, mais on peut le comparer au mouvement des électrons et du noyau). Dans l’IRM, l’angle du spin donne l’information sur la localisation de l’atome dans le corps tandis que la quantité du spin (son amplitude) est utilisée pour distinguer les différents types de tissus. En combinant ces 2 informations, l’IRM permet d’avoir une carte 3D des tissus du corps.

La sensibilité de ce genre de mesure est limitée par le principe d’indétermination d’Heisenberg qui stipule que la mesure d’une propriété d’un atome va limiter celle d’une autre propriété. Par exemple, si on peut mesurer la position d’un électron avec une grande précision, alors on sera limité dans la mesure de sa quantité de mouvement. Et étant donné que la plupart des instruments atomiques mesurent 2 propriétés (l’amplitude et l’angle du spin), alors le principe stipule que la lecture des mesures sera toujours limitée. Mais des chercheurs de l’ICFO (Institute of Photonic Sciences) à Barcelone estiment qu’ils ont réussi à contourner cette limite dans des travaux publiés dans Nature et arXiv.1

L’astuce est de comprendre que le spin possède 2 angles de pointage. Le premier dans une direction nord-est-sud-ouest et le second pour l’élévation au dessus de l’horizon. L’équipe a montré qu’on pouvait mettre toute « l’indétermination » dans un angle qui n’est pas mesuré par l’instrument. De cette manière, on ne viole pas le principe d’indétermination d’Heisenberg, mais on peut la cacher de sorte qu’elle ne réduise pas la mesure. Le résultat est que les chercheurs ont obtenu une mesure à la fois de l’angle et de l’amplitude avec une précision inégalée.

Dans leur expérience, l’équipe a refroidi un nuage d’atomes à quelques micro-degrés Kelvin et elle a appliqué un champ magnétique pour produire un mouvement de spin comme dans une IRM. Ensuite, ils ont illuminé le nuage avec un laser pour mesurer l’orientation des spins atomiques. Les chercheurs rapportent que l’angle du spin et l’indétermination peuvent être continuellement surveillés avec une sensibilité par rapport aux limites prévues par la théorie tout en obéissant au principe d’indétermination d’Heisenberg.

L'évolution d'un spin et de son indétermination à mesure qu'ils orbitent à cause d'un champ magnétique. L'indétermination, initialement égale dans toutes les directions, est comprimé dans un composant hors-plan en offrant une précision optimale et équivalent aux 2 composants sur le plan - Crédit : ICFO

L’évolution d’un spin et de son indétermination à mesure qu’ils orbitent à cause d’un champ magnétique. L’indétermination, initialement égale dans toutes les directions, est comprimé dans un composant hors-plan en offrant une précision optimale et équivalent aux 2 composants sur le plan – Crédit : ICFO

Pour les défis rencontrés dans l’expérience, un chercheur commente qu’il a fallu développer un modèle théorique pour déterminer si c’était possible. Ensuite, il a fallu créer certaines technologiques pour l’expérience, notamment un détecteur suffisamment rapide avec très peu de bruit. Il a fallu améliorer la manière de « préparer » les atomes par rapport à la portée du détecteur.

Les résultats de l’étude montrent que cette nouvelle technique permet d’avoir des mesures beaucoup plus précises sur la mesure des spins atomiques. Ainsi, on peut envisager de nouveaux instruments pour la chasse aux ondes gravitationnelles ou pour une meilleure cartographie du cerveau. Mais même si l’étude est intéressante, il y a des doutes sérieux sur la reproduction de l’expérience. Dans le papier, il y a peu de détails sur le nouveau modèle théorique ou les technologies et l’emphase est systématiquement mise sur les résultats. Il est très difficile de contourner le principe d’indétermination d’Heisenberg si on regarde les résultats des précédentes expériences et donc, il faudra que cette étude puisse être reproduite des dizaines de fois avant qu’on envisage une application technique et concrète.

Sources

1.
Simultaneous tracking of spin angle and amplitude beyond classical limits. arXiv. https://arxiv.org/abs/1702.08888. Accessed March 22, 2017.
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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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