Manuel Endres, professeur de physique à Caltech, est spécialisé dans le contrôle fin d’atomes uniques à l’aide de dispositifs connus sous le nom de pinces optiques. Lui et ses collègues utilisent ces pinces, faites de lumière laser, pour manipuler des atomes individuels au sein d’un réseau d’atomes afin d’étudier les propriétés fondamentales des systèmes quantiques. Leurs expériences ont conduit, entre autres, à de nouvelles techniques pour effacer les erreurs dans des machines quantiques simples, à un nouveau dispositif qui pourrait conduire aux horloges les plus précises du monde et à un système quantique record contrôlant plus de 6 000 atomes individuels.
Le mouvement normal des atomes, qui rend les systèmes plus difficiles à contrôler, est un facteur gênant dans ce domaine. Aujourd’hui, dans un article publié dans la revue Science, l’équipe a renversé le problème et utilisé ce mouvement atomique pour coder des informations quantiques, une étape nécessaire au développement des technologies quantiques.
« Nous montrons que le mouvement atomique, qui est généralement considéré comme une source de bruit indésirable dans les systèmes quantiques, peut être transformé en force », indique Adam Shaw (PhD ’24), co-auteur principal de l’étude avec Pascal Scholl et Ran Finkelstein. Shaw était étudiant diplômé à Caltech lors de ces expériences et est aujourd’hui chercheur postdoctoral à l’université de Stanford. Scholl a été post-doctorant au Caltech et travaille actuellement dans la société d’informatique quantique Pasqal. Finkelstein a bénéficié de la bourse Troesh Postdoctoral Prize Fellowship à Caltech et est aujourd’hui professeur à l’université de Tel-Aviv.
En fin de compte, l’expérience a non seulement permis d’encoder des informations quantiques dans le mouvement des atomes, mais elle a également conduit à un état connu sous le nom d’hyper-enchaînement. Dans l’intrication de base, deux particules restent connectées même lorsqu’elles sont séparées par de grandes distances. Lorsque les chercheurs mesurent l’état des particules, ils observent cette corrélation : Par exemple, si une particule est dans un état dit de spin up (dans lequel l’orientation du moment angulaire pointe vers le haut), l’autre sera toujours dans un état de spin down.
Dans l’hyper-enchaînement, deux caractéristiques d’une paire de particules sont corrélées. Pour faire une analogie simple, c’est comme si des jumeaux séparés à la naissance portaient le même nom et avaient le même type de voiture : Les deux caractéristiques sont corrélées entre les jumeaux. Dans la nouvelle étude, Endres et son équipe ont réussi à hyper-entraîner des paires d’atomes de telle sorte que leurs états individuels de mouvement et leurs états électroniques individuels – leurs niveaux d’énergie internes – étaient corrélés entre les atomes. De plus, cette démonstration expérimentale implique qu’il est possible d’enchevêtrer encore plus de caractéristiques en même temps.
« Cela nous permet d’encoder plus d’informations quantiques par atome », ajoute M. Endres. « On obtient plus d’intrication avec moins de ressources.»
L’expérience est la première démonstration de l’hyper-intriqué dans des particules massives, telles que des atomes neutres ou des ions (les démonstrations précédentes utilisaient des photons).
Pour ces expériences, l’équipe a refroidi un réseau d’atomes neutres alcalino-terreux individuels confinés à l’intérieur de pinces optiques. Ils ont démontré une nouvelle forme de refroidissement via « la détection et la correction active ultérieure des excitations thermiques mobiles », précise M. Endres, qu’il compare à la célèbre expérience de pensée de James Clerk Maxwell de 1867 invoquant un démon qui mesure et trie les particules dans une chambre. « Nous mesurons essentiellement le mouvement de chaque atome et appliquons une opération en fonction du résultat, atome par atome, comme le fait le démon de Maxwell. »
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La méthode, qui surpasse les techniques de refroidissement au laser les plus connues, a entraîné l’immobilisation presque totale des atomes.
À partir de là, les chercheurs ont fait osciller les atomes comme un pendule, mais avec une amplitude d’environ 100 nanomètres, ce qui est beaucoup plus petit que la largeur d’un cheveu humain. Ils ont pu exciter les atomes dans deux oscillations distinctes simultanément, ce qui a entraîné le mouvement dans un état de superposition. La superposition est un état quantique dans lequel une particule présente simultanément des caractéristiques opposées, comme le spin d’une particule qui est à la fois vers le haut et vers le bas.
« On peut comparer un atome se déplaçant dans cet état de superposition à un enfant sur une balançoire qui commence à être poussé par deux parents situés de part et d’autre, mais simultanément », dit encore M. Endres. « Dans notre monde quotidien, cela conduirait certainement à un conflit parental ; dans le monde quantique, nous pouvons remarquablement tirer parti de cette situation ! »
Les chercheurs ont ensuite enchevêtré les atomes individuels qui se balançaient aux atomes partenaires, créant ainsi un état de mouvement corrélé sur une distance de plusieurs micromètres. Une fois les atomes enchevêtrés, l’équipe les a ensuite hyperenchevêtrés de manière à ce que le mouvement et l’état électronique des atomes soient corrélés.
« Fondamentalement, l’objectif était de repousser les limites du contrôle que nous pouvions exercer sur ces atomes », ajoute M. Endres. « Nous construisons essentiellement une boîte à outils : Nous savions comment contrôler les électrons à l’intérieur d’un atome, et nous savons maintenant comment contrôler le mouvement externe de l’atome dans son ensemble. C’est comme un jouet atomique que l’on maîtrise parfaitement ».
Ces résultats pourraient déboucher sur de nouvelles méthodes de calcul quantique ainsi que sur des simulations quantiques destinées à étudier les questions fondamentales de la physique. « Les états de mouvement pourraient devenir une ressource puissante pour la technologie quantique, de l’informatique à la simulation en passant par les mesures de précision », conclut M. Endres.
Légende illustration : Deux atomes, piégés par des faisceaux de lumière laser, sont montrés dans un état quantique spécial appelé hyper-enchaînement. Dans cet état, leur mouvement et leur énergie interne sont liés, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour les technologies quantiques. Crédit : image générée par l’IA de Manuel Endres
L’étude intitulée « Erasure cooling, control, and hyperentanglement of motion in optical tweezers » (refroidissement par effacement, contrôle et hyperentanglement du mouvement dans les pinces optiques), a été réalisée en collaboration avec l’Institut national de la recherche scientifique. DOI : 10.1126/science.adn2618
