Les réseaux de détection atteignent une plus grande précision grâce à l’intrication quantique


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  • Des chercheurs affiliés au centre de recherche quantique Q-NEXT montrent comment créer des réseaux intriqués quantiques d’horloges atomiques et d’accéléromètres – et ils démontrent les performances supérieures et de haute précision de la configuration.

    Qu’est-il arrivé

    Pour la première fois, des scientifiques ont intriqué des atomes pour les utiliser comme capteurs quantiques en réseau, en particulier des horloges atomiques et des accéléromètres.

    La configuration expérimentale de l’équipe de recherche a permis d’obtenir des mesures ultraprécises du temps et de l’accélération. Par rapport à une configuration similaire qui ne s’appuie pas sur l’intrication quantique, leurs mesures de temps étaient 3,5 fois plus précises et les mesures d’accélération 1,2 fois plus précises.

    Le résultat, publié dans La nature, est soutenu par Q-NEXT, un centre de recherche national en sciences de l’information quantique du département américain de l’énergie (DOE) dirigé par le laboratoire national d’Argonne du DOE. La recherche a été menée par des scientifiques de l’Université de Stanford, de l’Université Cornell et du Laboratoire national de Brookhaven du DOE.

    « L’impact de l’utilisation de l’intrication dans cette configuration a été qu’elle a produit de meilleures performances de réseau de capteurs que celles qui auraient été disponibles si l’intrication quantique n’avait pas été utilisée comme ressource », a déclaré Mark Kasevich, auteur principal de l’article, membre de Q-NEXT, le professeur William R. Kenan, Jr. à la Stanford School of Humanities and Sciences et professeur de physique et de physique appliquée. « Pour les horloges atomiques et les accéléromètres, la nôtre est une démonstration pionnière. »

    Qu’est-ce que l’intrication quantique ? Comment s’applique-t-il aux capteurs ?

    • L’intrication, une propriété spéciale de la nature au niveau quantique, est une corrélation entre deux ou plusieurs objets. Lorsque deux atomes sont intriqués, on peut mesurer les propriétés des deux atomes en n’en observant qu’un seul. Cela est vrai quelle que soit la distance – même si ce sont des années-lumière – séparant les atomes intriqués.
    • Une analogie quotidienne utile : une bille rouge et une bille bleue sont placées dans une boîte. Si vous tirez une bille rouge de la boîte, vous savez, sans avoir à regarder l’autre, qu’elle est bleue. La couleur des billes est corrélée, ou intriquée.
    • Dans le domaine quantique, l’intrication est plus subtile. Un atome peut prendre plusieurs états (couleurs) à la fois. Si nos billes étaient comme des atomes, chaque bille serait à la fois rouge et bleue. Ni l’un ni l’autre n’est entièrement rouge ou bleu lorsqu’il se trouve dans la boîte. La bille quantique ne « décide » de sa couleur qu’au moment de la révélation. Et une fois que vous dessinez une bille de couleur « décidée », vous connaissez la couleur de son partenaire intriqué.
    • Prendre une mesure d’un membre d’une paire intriquée revient en fait à prendre une lecture simultanée des deux.
    • Pour aller plus loin : deux horloges intriquées sont pratiquement équivalentes à une seule horloge avec deux affichages. Les mesures de temps prises à l’aide d’horloges intriquées peuvent être plus précises que les mesures de deux horloges distinctes et synchronisées.

    Pourquoi est-ce important

    Une plus grande sensibilité des horloges atomiques et des accéléromètres conduirait à des systèmes de chronométrage et de navigation plus précis, tels que ceux utilisés dans les systèmes de positionnement global, dans la défense et dans les communications de diffusion. Les horloges ultraprécises sont également utilisées dans la finance et le commerce.

    « Le GPS me dit où je suis à environ un mètre en ce moment », a déclaré Kasevich. « Mais et si je voulais savoir où j’en étais à moins de 10 centimètres? C’est ce que serait l’impact de meilleures horloges. »

    Une note sur les horloges ultraprécises

    On peut marquer le passage du temps en comptant le nombre d’impulsions dans une onde électromagnétique, tout comme on compterait les tic-tac d’une horloge. Si vous savez qu’une onde particulière bat 6 milliards de fois par seconde, vous savez qu’une fois que vous avez compté 6 milliards de crêtes de l’onde, une seconde s’est écoulée. Ainsi, connaître la fréquence exacte d’un micro-ondes donne un moyen précis de suivre le temps.

    Comment ça fonctionne

    L’enchevêtrement : Les atomes de rubidium, piégés à l’intérieur d’une cavité, sont séparés en deux groupes d’environ 100 000 atomes chacun. Les groupes sont assis entre deux miroirs. La lumière est amenée à rebondir entre les miroirs, traçant son chemin à travers les groupes d’atomes à chaque prise de vue. La lumière ricochée les enchevêtre.

    La détection : Une micro-onde ondule à travers les deux groupes d’atomes. Les atomes qui résonnent avec la fréquence particulière du micro-onde réagissent en changeant d’état, comme le verre à vin qui vibre lorsqu’une soprano frappe juste la bonne note.

    De même, lorsqu’une accélération particulière est appliquée aux groupes atomiques, une partie des atomes de chaque groupe réagit en changeant d’état.

    La mesure: Les deux groupes atomiques intriqués se comportent comme les deux faces d’une même horloge, ou comme deux lectures d’un accéléromètre.

    L’équipe de recherche a mesuré le nombre d’atomes qui ont changé d’état – ceux qui vibraient comme un verre à vin – dans chaque groupe.

    Ensuite, ils ont utilisé les nombres pour calculer la différence dans les fréquences micro-ondes appliquées aux deux groupes, et donc la différence dans les lectures de temps ou d’accélération des groupes.

    Précision accrue : L’équipe de Kasevich a découvert que l’enchevêtrement améliore la précision de la différence de fréquence ou d’accélération lue par les écrans.

    Dans leur configuration, la mesure du temps à deux endroits était 3,5 fois plus précise lorsque les horloges étaient enchevêtrées que si elles fonctionnaient indépendamment. Pour l’accélération, la mesure était 1,2 fois plus précise avec l’intrication.

    Impact

    « Si vous voulez savoir combien de temps dure quelque chose, vous pouvez regarder une horloge comme point de départ, puis courir dans une autre pièce pour regarder une autre horloge, le point final », a déclaré Kasevich. « Notre méthode exploite le principe d’intrication pour rendre cette comparaison aussi précise que possible. »

    Les chercheurs ont également réussi à mettre en réseau quatre groupes d’atomes dans quatre emplacements distincts en utilisant cette configuration.

    Dans l’expérience de l’équipe, les deux groupes d’atomes étaient séparés d’environ 20 micromètres, près de la largeur moyenne d’un cheveu humain.

    Leur travail signifie que le temps ou l’accélération peuvent être comparés, avec une sensibilité sans précédent, entre quatre lieux distincts, bien que proches les uns des autres.

    « À l’avenir, nous voulons les pousser sur de plus longues distances. Le monde veut des horloges dont l’heure peut être comparée. C’est la même chose avec les accéléromètres. Il existe des configurations de détection où vous voulez pouvoir lire la différence d’accélération de un groupe par rapport à un autre. Nous avons pu montrer comment faire cela », a déclaré Kasevich.

    « C’est un tour de force de la part de Mark et de son équipe », a déclaré JoAnne Hewett, directrice adjointe de Q-NEXT, qui est également directrice associée de la physique fondamentale du SLAC National Accelerator Laboratory et directrice de la recherche ainsi que professeur de physique des particules à Stanford. et l’astrophysique. « Cela signifie que nous pouvons exploiter l’intrication pour développer des capteurs bien plus puissants que ceux que nous utilisons aujourd’hui. Nous nous rapprochons un peu plus de l’utilisation des phénomènes quantiques pour améliorer notre vie quotidienne. »

    Ce travail a été soutenu par les centres nationaux de recherche en sciences de l’information quantique du Bureau des sciences du DOE dans le cadre du centre Q-NEXT.

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