Des chercheurs de l’ETH Zurich ont démontré que même de grands objets comportant plusieurs centaines de millions d’atomes peuvent présenter un comportement mécanique quantique, sans refroidissement et à température ambiante. Cela ouvre des perspectives passionnantes pour de nouvelles technologies.
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Pour de nombreuses applications futures de la technologie quantique, non seulement les atomes individuels mais aussi des particules beaucoup plus grandes doivent pouvoir être contrôlés par la mécanique quantique. Les chercheurs de l'ETH ont réussi à stabiliser un objet relativement grand à tel point qu'il se déplace presque exclusivement de manière quantique. Cette recherche pourrait être bénéfique pour le développement futur de capteurs quantiques sensibles, par exemple pour les systèmes de navigation ou les applications médicales. |
Trois nanosphères de verre s’agglutinent les unes aux autres. Elles forment un amas en forme de tour, semblable à trois boules de glace empilées les unes sur les autres, mais en beaucoup plus petit. Le diamètre de cet amas nanométrique est dix fois plus petit que celui d’un cheveu humain. À l’aide d’un dispositif optique et de faisceaux laser, des chercheurs de l’ETH Zurich ont réussi à maintenir ces objets presque immobiles en lévitation. Cela revêt une importance particulière pour le développement futur des capteurs quantiques qui, avec les ordinateurs quantiques, constituent les applications les plus prometteuses de la recherche quantique.
Dans le cadre de leur expérience de lévitation, les chercheurs, dirigés par Martin Frimmer, professeur adjoint de photonique, ont réussi à éliminer la force gravitationnelle agissant sur les sphères de verre. Cependant, le nano-objet allongé tremblait encore, un peu comme l’aiguille d’une boussole qui se stabilise. Dans le cas du nano-cluster, le mouvement de tremblement était très rapide mais faible : l’objet effectuait environ un million de déviations par seconde, chacune ne mesurant que quelques millièmes de degré. Cette minuscule oscillation rotationnelle est un mouvement quantique fondamental présenté par tous les objets et que les physiciens appellent fluctuation du point zéro. « Selon les principes de la mécanique quantique, aucun objet ne peut rester parfaitement immobile », déclare Lorenzo Dania, post-doctorant dans le groupe de M. Frimmer et premier auteur de l’étude. « Plus un objet est grand, plus ces fluctuations du point zéro sont faibles et plus il est difficile de les observer. »
Plusieurs records
À ce jour, personne n’avait réussi à détecter ces minuscules mouvements pour un objet de cette taille avec autant de précision que les chercheurs de l’ETH. Ils y sont parvenus en éliminant en grande partie tous les mouvements issus du domaine de la physique classique qui obscurcissent l’observation des mouvements quantiques. Les chercheurs de l’ETH attribuent 92 % des mouvements du cluster dans leur expérience à la physique quantique et 8 % à la physique classique ; ils font donc état d’un niveau élevé de pureté quantique. « Au départ, nous ne nous attendions pas à atteindre un niveau de pureté quantique aussi élevé », explique Lorenzo Dania.
Et les records ne s’arrêtent pas là : les chercheurs ont accompli tout cela à température ambiante. Les chercheurs en physique quantique doivent généralement refroidir leurs objets à une température proche du zéro absolu (-273 degrés Celsius) à l’aide d’équipements spéciaux. Cela n’a pas été nécessaire ici. M. Frimmer fait une analogie : « C’est comme si nous avions construit un nouveau véhicule qui transporte plus de marchandises que les camions traditionnels tout en consommant moins de carburant. »
À la fois minuscule et énorme
Alors que de nombreux chercheurs étudient les effets quantiques sur des atomes individuels ou de petits groupes d’atomes, M. Frimmer et son équipe font partie de ceux qui travaillent avec des objets relativement grands. Leur cluster de nanosphères est certes minuscule à l’échelle quotidienne, mais il est composé de plusieurs centaines de millions d’atomes, ce qui le rend énorme du point de vue d’un physicien quantique. L’intérêt pour les objets de cette taille est en partie motivé par les espoirs qu’ils suscitent pour les applications futures de la technologie quantique, par exemple. De telles applications nécessitent des systèmes plus grands pour être contrôlés à l’aide des principes de la mécanique quantique.
Les chercheurs ont réussi à faire léviter leurs nanoparticules à l’aide de ce qu’on appelle une pince optique. Dans ce processus, la particule est placée dans un vide dans un récipient transparent. Une lentille est utilisée pour focaliser la lumière laser polarisée en un point à l’intérieur de ce récipient. À ce point focal, la particule s’aligne avec le champ électrique du laser polarisé et reste ainsi stable.
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« Un début parfait »
« Ce que nous avons accompli est un début parfait pour poursuivre des recherches qui pourraient un jour déboucher sur des applications », ajoute M. Frimmer. Pour de telles applications, il faut d’abord disposer d’un système à haute pureté quantique dans lequel toutes les interférences externes peuvent être supprimées avec succès et les mouvements contrôlés de la manière souhaitée, précise-t-il, ajoutant que cet objectif est désormais atteint. Il serait alors possible de détecter les effets quantiques, de les mesurer et d’utiliser le système pour des applications technologiques quantiques.
Parmi les applications possibles, on peut citer la recherche fondamentale en physique pour concevoir des expériences visant à étudier la relation entre la gravité et la mécanique quantique. Le développement de capteurs permettant de mesurer des forces infimes, telles que celles des molécules de gaz ou même des particules élémentaires qui agissent sur le capteur, est également envisageable. Cela serait utile dans la recherche de la matière noire. « Nous disposons désormais d’un système relativement simple, rentable et bien adapté à cet usage », précise M. Frimmer.
Applications dans la navigation et la médecine
Dans un avenir lointain, les capteurs quantiques pourraient également être utilisés dans l’imagerie médicale. On espère qu’ils seront capables de détecter des signaux faibles dans des environnements où les appareils de mesure captent principalement le bruit de fond. Une autre application potentielle pourrait être celle des capteurs de mouvement qui faciliteraient la navigation des véhicules même en l’absence de contact avec un satellite GPS.
Pour la plupart de ces applications, le système quantique devrait être miniaturisé. Selon les chercheurs de l’ETH, cela est en principe possible. En tout état de cause, ils ont trouvé un moyen d’obtenir l’état quantique contrôlable souhaité sans refroidissement long, coûteux et énergivore.
Les chercheurs de l’ETH Zurich ont mené ces travaux en collaboration avec des collègues de l’Université technique de Vienne, de l’Université de Manchester et de l’Institut de Ciències Fotòniques de Barcelone.
Reference : Dania L, Schmitt Kremer O, Piotrowski J, Candoli D, Vijayan J, Romero-Isart O, Gonzales-Ballestero C, Novotny L, Frimmer M: High-purity quantum optomechanics at room temperature, Nature Physics 2025, doi: 10.1038/s41567-025-02976-9
