Des physiciens de l’Imperial College London ont démontré, pour la première fois, qu’un capteur quantique peut éliminer le bruit laser en comparant deux interféromètres atomiques. L’avancée valide une technique au cœur des futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles et de matière noire.
Deux nuages d’atomes de strontium refroidis à des températures proches du zéro absolu, un laser unique, et une astuce de mesure qui permet d’extraire un signal là où chaque instrument individuel ne perçoit que du chaos. Voilà, en substance, ce que décrivent des physiciens de l’Imperial College London dans un article paru le 17 juin dans Nature.
L’équipe a conçu un dispositif où deux interféromètres atomiques sont interrogés par un même laser d’horloge. Chaque interféromètre, pris isolément, se comporte comme un détecteur de phase extrêmement sensible : il convertit les variations infimes de distance ou de champ en oscillations mesurables dans les fonctions d’onde atomiques. Le problème, bien connu des spécialistes, réside dans le bruit inhérent au laser lui-même, capable de submerger les signaux les plus ténus.
Noyer le signal pour mieux le retrouver
Pour tester la robustesse de leur approche, les chercheurs ont volontairement injecté un bruit de phase sans commune mesure avec celui qu’un laser d’horloge produit en conditions normales. Résultat : chaque interféromètre, considéré séparément, délivrait des données illisibles, entièrement masquées par le vacarme instrumental. Mais lorsque les deux instruments ont été mis en regard l’un de l’autre, les corrélations statistiques entre leurs mesures ont fait émerger un signal parfaitement net.
La mesure différentielle ainsi obtenue a atteint la limite quantique fondamentale, autrement dit le plancher de sensibilité que la mécanique quantique elle-même impose. Une performance qui valide expérimentalement une technique que les théoriciens anticipaient depuis plusieurs années sans avoir pu la démontrer jusqu’ici.
Pour parachever la démonstration, l’équipe a injecté un signal oscillant artificiel imitant ce que provoquerait le passage d’une onde gravitationnelle ou l’interaction avec un champ de matière noire exotique. La détection a été franche, alors même qu’aucun des deux interféromètres atomiques, examiné isolément, ne contenait la moindre information exploitable.
« Cela fait longtemps que nous savons que les capteurs quantiques peuvent nous aider à comprendre l’univers, mais ce n’est que récemment qu’il est devenu possible d’en construire avec la résolution nécessaire », a observé le Dr Charles Baynham, co-responsable du laboratoire de strontium ultrafroid de l’Imperial College.
Une course d’échelle vers le kilomètre
Ces travaux s’inscrivent dans le cadre de la collaboration Atom Interferometer Observatory and Network (AION), un consortium britannique piloté par l’Imperial College. Il rassemble les universités de Birmingham, Cambridge, Liverpool, King’s College London et Oxford, ainsi que le laboratoire STFC Rutherford Appleton. La feuille de route d’AION prévoit une montée en puissance graduelle avec un prototype de dix mètres à Oxford, puis des détecteurs de cent mètres, avant d’atteindre des instruments de l’ordre du kilomètre.
La collaboration travaille également avec l’expérience MAGIS, hébergée au Fermilab aux États-Unis, et a soumis une proposition pour l’Atom Interferometry CERN Experiment (AICE), qui appliquerait des techniques analogues sur des bases de référence considérablement plus longues.
« Notre expérience actuelle n’est qu’un prototype, mais en la déployant à grande échelle dans des laboratoires tels que le CERN ou le Fermilab, nous serons en mesure de nous attaquer à certains des mystères les plus profonds de la physique, notamment la nature de la matière noire », a déclaré le Dr Richard Hobson, co-responsable du laboratoire.
La portée scientifique est de taille. Les détecteurs terrestres d’ondes gravitationnelles actuels, comme LIGO et Virgo, excellent à capter les derniers soubresauts de fusions d’objets compacts, trous noirs ou étoiles à neutrons. Mais ils restent sourds aux ondes gravitationnelles de très basse fréquence, celles qui auraient été émises dans l’univers primordial ou qui trahiraient la présence de certaines formes de matière noire. Les interféromètres atomiques à longue base, débarrassés de leur bruit laser par la technique de comparaison validée à Londres, pourraient ouvrir cette fenêtre d’observation inédite.
L’approche différentielle, désormais éprouvée en laboratoire, apparaît ainsi comme un jalon technique pour toute une génération d’instruments en cours de conception.
Article : « A prototype differential atom interferometer for fundamental physics » – DOI : 10.1038/s41586-026-10617-1
Source : Imperial College
