Un capteur quantique prototype développé par des chercheurs de l’Imperial a démontré, pour la première fois, qu’un principe clé des détecteurs quantiques de nouvelle génération peut fonctionner dans des conditions réalistes.
L’étude montre comment la comparaison de deux interféromètres atomiques à longue ligne de base, des instruments qui utilisent des lasers pour mesurer précisément le comportement des atomes, permet d’annuler efficacement le bruit expérimental.
Cela permet de récupérer des signaux même lorsque les mesures individuelles sont submergées, et ouvre la voie à la recherche d’ondes gravitationnelles provenant de l’univers primordial et de signatures de formes exotiques de matière noire.
Ces travaux font partie de la collaboration Atom Interferometer Observatory and Network (AION). Dirigée par l’Imperial, AION rassemble des chercheurs d’institutions du Royaume-Uni pour développer des technologies de détection quantique de nouvelle génération.
Annuler le bruit dans les mesures quantiques
Comprendre de quoi l’Univers est fait et identifier de nouvelles sources d’ondes gravitationnelles restent des défis majeurs de la physique moderne.
Les deux problèmes nécessitent de mesurer des signaux extrêmement faibles qui peuvent facilement se perdre dans le bruit de fond. Trouver des moyens fiables de les détecter est essentiel pour explorer des parties de l’Univers que les expériences actuelles ne peuvent pas atteindre.
Les interféromètres atomiques à longue ligne de base apparaissent comme l’un des outils les plus prometteurs pour cela. Ils fonctionnent en utilisant des lasers pour diviser des nuages d’atomes puis les rassembler, permettant de mesurer avec une extrême précision de minuscules changements dans leur mouvement.
Ces expériences reposent sur la comparaison du comportement de deux nuages d’atomes maintenus à des endroits différents et interrogés par le même laser. Toute différence entre les deux pourrait indiquer des signaux auparavant cachés, par exemple la présence d’un champ de matière noire.
Cependant, la technique est confrontée à un défi majeur. Le laser utilisé pour contrôler l’expérience produit un bruit de phase bien supérieur aux signaux que les chercheurs tentent de mesurer. S’il n’est pas corrigé, ce bruit obscurcit complètement ces effets.
Pour y remédier, les scientifiques ont proposé une approche différentielle, comparant deux interféromètres afin que le bruit commun s’annule. Cette méthode sous-tend les plans de détecteurs de nouvelle génération, mais n’avait pas encore été démontrée dans des conditions réalistes.
Dr Charles Baynham, co-responsable du Laboratoire d’atomes de strontium ultra-froids de l’Imperial College London, a déclaré : « Nous savons depuis longtemps que les capteurs quantiques peuvent nous aider à comprendre l’univers, mais ce n’est que récemment qu’il est devenu possible de les construire avec la résolution nécessaire. Nous sommes immensément fiers des efforts de notre équipe pour concrétiser ces capteurs – j’ai hâte que des signaux provenant d’un atome nous informent d’un trou noir qui a fusionné il y a des millions d’années. »
Tester l’approche
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont entrepris de tester ce principe expérimentalement.
Dans le Laboratoire d’atomes de strontium ultra-froids de l’Imperial, ils ont construit un prototype de table avec deux nuages d’atomes de strontium-87 ultrariches séparés macroscopiquement, interrogés par un unique laser d’horloge ultrastable.
Le montage a été conçu pour imiter les conditions attendues dans des expériences futures beaucoup plus grandes, où le contrôle du bruit devient de plus en plus difficile.
Pour pousser la méthode à ses limites, l’équipe a délibérément introduit de grandes quantités de bruit de phase supplémentaire dans le système – bien plus que ce que les lasers d’horloge produisent naturellement – pour simuler les conditions attendues dans les détecteurs à longue ligne de base.
Individuellement, chaque interféromètre est devenu inutilisable, son signal étant obscurci par le bruit. Les franges d’interférence qui permettent normalement d’effectuer des mesures ont été effectivement effacées.
Cependant, lorsque les deux interféromètres ont été comparés, un signal clair a pu être récupéré. Même si chaque mesure individuelle semblait aléatoire, la corrélation entre elles a révélé le comportement sous-jacent du système. La mesure combinée fonctionne à la limite fondamentale fixée par la physique quantique, démontrant ainsi que l’annulation du bruit du laser fonctionne comme requis.
Les scientifiques sont ensuite allés plus loin, en introduisant un signal oscillant supplémentaire dans le système, similaire à ce qui pourrait être produit par une onde gravitationnelle ou un champ de matière noire. Ce signal a pu être détecté clairement, même dans des conditions où aucun des interféromètres ne contenait à lui seul d’informations utilisables.
Vers des détecteurs de nouvelle génération
Les résultats fournissent la première validation expérimentale d’un principe clé sous-tendant les interféromètres atomiques à longue ligne de base, contribuant ainsi à résoudre un défi central dans leur conception.
Dans le cadre du programme AION, les chercheurs développent les technologies nécessaires pour faire passer ces systèmes à des expériences capables d’explorer de nouvelles régions de l’Univers.
AION fait également partie d’un programme international plus large qui comprend des partenariats étroits avec l’effort MAGIS au Fermilab et des institutions américaines associées, contribuant ainsi à faire progresser les interféromètres atomiques à grande échelle pour la physique fondamentale.
Cela inclut des propositions telles que l’expérience AICE (Atom Interferometry CERN Experiment), qui appliquerait des techniques similaires sur des distances beaucoup plus longues. Si elle se concrétise, AICE représenterait une nouvelle direction pour le CERN, appliquant la détection quantique à la physique fondamentale à grande échelle. De telles installations pourraient également figurer parmi les plus grandes expériences quantiques de ce type.
Dr Richard Hobson, co-responsable du Laboratoire d’atomes de strontium ultra-froids de l’Imperial, a affirmé : « Nous avons pris certains des instruments les plus précis jamais construits – horloges atomiques et interféromètres atomiques – et montré qu’ils peuvent être réutilisés pour ouvrir des fenêtres entièrement nouvelles sur les parties invisibles de notre Univers. Notre expérience actuelle n’est qu’un prototype, mais son passage à l’échelle d’une installation complète dans des laboratoires tels que le CERN ou le Fermilab nous permettra de nous attaquer à certains des mystères les plus profonds de la physique, y compris la nature de la matière noire. »
Les chercheurs de l’Imperial élaborent actuellement des plans pour ces systèmes dans le cadre d’un effort international visant à construire une nouvelle génération de capteurs quantiques. À l’avenir, ces détecteurs pourraient explorer des bandes de fréquences d’ondes gravitationnelles jusqu’alors inaccessibles et rechercher de nouvelles formes de matière, ouvrant ainsi une fenêtre encore inexplorée sur l’Univers.
Le professeur Oliver Buchmueller, chercheur principal de la collaboration AION à l’Imperial, a ajouté : « Ces travaux marquent une étape importante vers de futurs capteurs quantiques à grande échelle pour la physique fondamentale. Ils démontrent, dans des conditions expérimentales réalistes, une technique clé pertinente pour les installations d’interféromètres atomiques de nouvelle génération actuellement en développement au niveau international, notamment MAGIS au Fermilab et l’installation proposée AICE au CERN. »
Article : A prototype differential atom interferometer for fundamental physics – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude
Source : Imperial College London U.
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