Ouvrir de nouvelles possibilités pour capteurs quantiques, horloges atomiques et tests de physique fondamentale, les chercheurs du JILA ont développé de nouvelles façons d'« enchevêtrer » ou d'articuler les propriétés d'un grand nombre de particules. Ce faisant, ils ont mis au point des moyens de mesurer avec plus de précision de grands groupes d’atomes, même dans des environnements perturbateurs et bruyants.
Des horloges atomiques de plus grande précision, telles que « l’horloge à pince » représentée ici, pourraient résulter de la liaison ou de « l’enchevêtrement » d’atomes d’une nouvelle manière grâce à une méthode connue sous le nom de « compression de spin », dans laquelle une propriété d’un atome est mesurée avec plus de précision que celle d’un atome. est généralement autorisé en mécanique quantique en diminuant la précision avec laquelle une propriété complémentaire est mesurée. Crédit image : S. Burrows/JILA
Les nouvelles techniques sont décrites dans deux articles publiés dans Nature. JILA est un institut conjoint du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Colorado à Boulder.
"L'intrication est le Saint Graal de la science de la mesure", a déclaré Ana Maria Rey, physicienne théoricienne et boursière JILA et NIST.
« Les atomes sont les meilleurs capteurs qui soient. Ils sont universels. Le problème est que ce sont des objets quantiques, donc intrinsèquement bruyants. Lorsque vous les mesurez, ils se trouvent parfois dans un état énergétique, parfois dans un autre état. Lorsque vous les emmêlez, vous parvenez à annuler le bruit.
Lorsque des atomes sont intriqués, ce qui arrive à un atome affecte tous les atomes qui lui sont intriqués. Le fait que des dizaines, voire des centaines, d'atomes intriqués travaillent ensemble réduit le bruit et le signal de la mesure devient plus clair, plus sûr. Les atomes intriqués réduisent également le nombre de fois où les scientifiques doivent effectuer leurs mesures, obtenant ainsi des résultats en moins de temps.
Spintronique – concept artistique. Crédit image : Créativité103 via flickr, CC BY 2.0
Un moyen d’enchevêtrement consiste à utiliser un processus appelé spin squeezing. Comme tous les objets qui obéissent aux règles de la physique quantique, les atomes peuvent exister dans plusieurs états énergétiques à la fois, une capacité connue sous le nom de superposition. La compression de spin réduit tous ces états de superposition possibles dans un atome à quelques possibilités seulement. C'est comme serrer un ballon.
Lorsque vous pressez le ballon, le milieu rétrécit et les extrémités opposées deviennent plus grandes. Lorsque le spin des atomes est comprimé, la gamme d’états possibles dans lesquels ils peuvent se trouver se rétrécit dans certaines directions et s’élargit dans d’autres.
Mais il est plus difficile d’enchevêtrer des atomes plus éloignés les uns des autres. Les atomes ont des interactions plus fortes avec les atomes les plus proches d’eux ; plus les atomes sont éloignés, plus leurs interactions sont faibles.
Physique quantique, mer d'excitons – interprétation artistique. Crédit image : Sigmund via Unsplash, licence gratuite
Pensez-y comme si des gens discutaient lors d’une fête bondée. Les personnes les plus proches les unes des autres peuvent avoir une conversation, mais celles de l’autre côté de la pièce peuvent à peine les entendre, et les informations se perdent au fil du temps. Les scientifiques veulent que tous les atomes se parlent en même temps. Les physiciens du monde entier étudient différents moyens de parvenir à cette intrication.
"L'un des objectifs majeurs de la communauté est de produire des états intriqués afin d'obtenir des mesures de plus grande précision dans un laps de temps plus court", a déclaré Adam Kaufman, physicien et membre du JILA.
Kaufman et Rey ont travaillé ensemble sur des propositions pour parvenir à cet enchevêtrement, dont l'une Rey et ses collaborateurs de l'Université d'Innsbruck en Autriche ont manifesté.
Dans cette expérience, l’équipe a aligné 51 ions calcium dans un piège et a utilisé des lasers pour induire des interactions entre eux. En effet, le laser excite des phonons, des vibrations un peu comme des ondes sonores entre les atomes.
Ces phonons se propagent le long de la ligne des atomes, les reliant entre eux. Dans des expériences antérieures, ces liaisons étaient conçues pour être statiques, de sorte qu’un ion ne pouvait communiquer qu’avec un ensemble spécifique d’ions lorsqu’il était éclairé par les lasers.
États quantiques, physique quantique – interprétation artistique. Crédit image : Ben Wicks via Unsplash, licence gratuite
En ajoutant des champs magnétiques externes, il a été possible de rendre les liens dynamiques, grandissant et évoluant au fil du temps. Cela signifiait qu'un ion qui pouvait au début parler à un seul groupe d'ions pouvait parler à un groupe différent, et finalement, il était capable de parler à tous les autres ions du réseau.
Cela résout ce problème de distance, dit Rey, et les interactions étaient fortes tout au long de la ligne des atomes. Désormais, tous les atomes travaillaient ensemble et pouvaient tous communiquer entre eux sans perdre le message en cours de route.
En peu de temps, les ions se sont intriqués, formant un état de rotation, mais avec un peu plus de temps, ils se sont transformés en ce qu’on appelle un état de chat. Cet état doit son nom à la célèbre expérience de pensée d’Erwin Schrödinger sur la superposition, dans laquelle il proposait qu’un le chat coincé dans une boîte est à la fois vivant et mort jusqu'à ce que la boîte soit ouverte et que son état puisse être observé.
Pour les atomes, un état chat est un type particulier de superposition dans lequel les atomes se trouvent simultanément dans deux états diamétralement opposés, comme haut et bas. Les états félins sont très intriqués, souligne Rey, ce qui les rend particulièrement intéressants pour la science des mesures.
La prochaine étape consistera à essayer cette technique avec un réseau bidimensionnel d’atomes, en augmentant le nombre d’atomes pour améliorer la durée pendant laquelle ils peuvent rester dans ces états intriqués. De plus, cela pourrait potentiellement permettre aux scientifiques d’effectuer des mesures plus précises et beaucoup plus rapides.
L’intrication par compression de spin pourrait également bénéficier aux horloges atomiques optiques, qui constituent un outil scientifique de mesure important. Kaufman et son groupe du JILA, ainsi que des collaborateurs du groupe de Jun Ye, collègue du NIST/JILA, ont testé une méthode différente dans une autre étude dans ce numéro de Nature.
Les chercheurs ont chargé 140 atomes de strontium dans un réseau optique, un seul plan de lumière pour contenir les atomes. Ils ont utilisé des faisceaux de lumière finement contrôlés, appelés pinces optiques, pour placer les atomes en petits sous-groupes de 16 à 70 atomes chacun.
Avec un laser ultraviolet de haute puissance, ils ont excité les atomes dans une superposition de leur état habituel « d’horloge » et d’un état Rydberg d’énergie plus élevée. Cette technique s'appelle le pansement Rydberg.
Les atomes de l’état de l’horloge sont comme les gens calmes lors d’une fête bondée ; ils n’interagissent pas fortement avec les autres. Mais pour les atomes dans l’état de Rydberg, l’électron le plus externe est si éloigné du centre de l’atome que l’atome est effectivement de très grande taille, ce qui lui permet d’interagir plus fortement avec les autres atomes.
Désormais, tout le parti parle. Grâce à cette technique de compression de spin, ils peuvent créer un enchevêtrement sur l’ensemble des 70 atomes.
Les chercheurs ont comparé les mesures de fréquence entre des groupes de 70 atomes et ont découvert que cet intrication améliorait la précision en dessous de la limite des particules non intriquées, connue sous le nom de limite quantique standard.
Des mesures plus rapides et plus précises permettront à ces horloges d’être de meilleurs capteurs pour rechercher la matière noire et produire de meilleures mesures de temps et de fréquence.
Documents:
Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi et Christian F. Roos. Détection quantique améliorée sur les transitions optiques via des interactions à portée finie. Nature. 30 août 2023. DOI : 10.1038 / s41586-023-06472-z
William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Aaron W. Young, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye et Adam M. Kaufman. Réalisation de la compression de spin avec les interactions de Rydberg dans une horloge optique. Nature. 30 août 2023. DOI : 10.1038/s41586-023-06360-6
La source: NIST
