Des mesures quantiques avec des nuages atomiques intriqués

Des chercheurs de l’Université de Bâle et du Laboratoire Kastler Brossel ont démontré comment l’intrication quantique peut être utilisée pour mesurer plusieurs paramètres physiques simultanément avec une plus grande précision.

L’intrication est probablement le phénomène le plus déroutant observé dans les systèmes quantiques. Elle provoque des corrélations statistiques entre les mesures de deux objets quantiques, même s’ils sont à des endroits différents, qui ne devraient pas exister selon la physique classique – c’est presque comme si une mesure sur un objet influençait l’autre à distance. La démonstration expérimentale de cet effet, également connue sous le nom de paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen, a reçu le prix Nobel de physique 2022.

Aujourd’hui, une équipe de recherche dirigée par le Prof. Dr. Philipp Treutlein à l’Université de Bâle et le Prof. Dr. Alice Sinatra au Laboratoire Kastler Brossel (LKB) à Paris a montré que l’intrication d’objets quantiques spatialement séparés peut également être exploitée pour mesurer plusieurs paramètres physiques simultanément avec une précision accrue. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique Science.

Mesures améliorées grâce à l’intrication

« La métrologie quantique, qui exploite les effets quantiques pour améliorer les mesures de grandeurs physiques, est désormais un domaine de recherche établi », explique Treutlein. Il y a quinze ans, lui et ses collaborateurs faisaient partie des premiers à réaliser des expériences dans lesquelles les spins d’atomes extrêmement froids étaient intriqués les uns avec les autres. L’intrication leur a permis de mesurer la direction des spins atomiques (qu’on peut imaginer comme de minuscules aiguilles de boussole) avec plus de précision que cela n’aurait été possible avec des spins indépendants sans intrication.

« Cependant, ces atomes se trouvaient tous au même endroit », précise Treutlein : « Nous avons maintenant étendu ce concept en répartissant les atomes dans jusqu’à trois nuages spatialement séparés. En conséquence, les effets de l’intrication agissent à distance, comme dans le paradoxe EPR. »

L’idée sous-jacente est que si l’on souhaite mesurer, par exemple, la distribution spatiale d’un champ électromagnétique, on pourrait utiliser un état intriqué de spins atomiques spatialement séparés. De manière similaire à la mesure en un seul endroit, l’intrication pourrait alors réduire les incertitudes de mesure dues à la mécanique quantique et, dans une large mesure, annuler également d’autres perturbations qui agissent de manière égale sur tous les spins atomiques.

« Jusqu’à présent, personne n’a réalisé une telle mesure quantique avec des nuages atomiques intriqués spatialement séparés, et le cadre théorique pour de telles mesures était également encore flou », souligne Yifan Li, qui a participé à l’expérience en tant que postdoctorant dans le groupe de Treutlein. Avec leurs collègues du LKB, Treutlein et son équipe ont étudié comment l’incertitude de mesure pour la distribution spatiale d’un champ électromagnétique pouvait être minimisée en utilisant de tels nuages intriqués.

Pour y parvenir, ils ont d’abord intriqué les spins atomiques en un seul nuage, puis ont divisé le nuage en trois parties intriquées. Avec seulement quelques mesures, ils ont pu déterminer la distribution du champ avec une précision nettement meilleure que ce qui était attendu sans l’intrication spatiale.

Applications dans les horloges atomiques et les gravimètres

« Nos protocoles de mesure peuvent être directement appliqués aux instruments de précision existants, comme les horloges à réseau optique », affirme Lex Joosten, doctorant dans le groupe de Bâle. Dans ces horloges, des atomes sont piégés dans un réseau optique créé par des faisceaux laser puis utilisés comme des « mécanismes d’horlogerie » extrêmement précis. Les méthodes des chercheurs bâlois pourraient être utilisées pour réduire certaines erreurs de mesure découlant de la répartition des atomes à travers le réseau, améliorant ainsi la précision des mesures temporelles.

Un autre exemple d’application pratique est celui des interféromètres atomiques, qui peuvent être utilisés pour mesurer l’accélération gravitationnelle de la Terre. Pour certaines applications de ces instruments, appelés gravimètres, la principale grandeur d’intérêt est la variation spatiale de la gravité, qui peut désormais être mesurée avec une plus grande précision grâce à l’approche par intrication.

Article : Multiparameter estimation with an array of entangled atomic sensors – Journal : Science – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Basel U.