Présentant un contrôle précis au niveau quantique, des physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé une méthode pour faire en sorte qu'un ion (atome chargé électriquement) affiche des quantités exactes de mouvement au niveau quantique - toute quantité spécifique jusqu'à 100 paquets d'énergie ou "quanta, " plus de cinq fois le précédent record de 17.

Mécanique quantique, la théorie fondamentale du monde atomique, déclare que l'énergie est libérée ou absorbée dans de minuscules parcelles, ou des paquets, appelé quanta. Les atomes libèrent de l'énergie lumineuse en émettant des photons, ou quanta de lumière. Lorsqu'ils sont pris au piège par des chercheurs, l'énergie en mouvement des atomes est transportée par des phonons, ou quanta de mouvement.

En plus de créer des nombres uniques de quanta, l'équipe du NIST a contrôlé le mouvement pendulaire de leur ion pour présenter simultanément deux quantités différentes de quanta de mouvement :zéro (mouvement minimum) plus n'importe quel nombre jusqu'à 18. Une telle "superposition" de deux états est une caractéristique du monde quantique curieux.

Publié en ligne par La nature le 22 juillet, les nouvelles méthodes pourraient être utilisées avec n'importe quel oscillateur de mécanique quantique, y compris les systèmes qui oscillent comme un simple pendule ou vibrent comme un ressort. Ces techniques pourraient conduire à de nouveaux types de simulateurs et de capteurs quantiques utilisant des phonons comme vecteurs d'information. En outre, la capacité d'adapter les états de superposition peut améliorer les mesures quantiques et le traitement de l'information quantique. L'utilisation de l'ion en superposition comme instrument de mesure de fréquence a plus que doublé la précision par rapport aux mesures conventionnelles de la fréquence de vibration de l'ion.

"Si nous avons le contrôle quantique d'un objet, nous pouvons « plier » les règles classiques pour avoir des incertitudes plus faibles dans certaines directions souhaitées au détriment d'incertitudes plus grandes dans d'autres directions, ", a déclaré la première auteure Katie McCormick. "Nous pouvons alors utiliser l'état quantique comme règle pour mesurer les propriétés d'un système. Plus nous avons de contrôle quantique, plus les lignes de la règle sont espacées, nous permettant de mesurer des quantités de plus en plus précisément."

Les expériences ont été réalisées avec un seul ion de béryllium maintenu à 40 micromètres au-dessus des électrodes d'or d'un piège électromagnétique refroidi. Les nouveaux résultats ont été possibles parce que les chercheurs du NIST ont pu minimiser les facteurs indésirables tels que les champs électriques parasites qui échangent de l'énergie avec et perturbent l'ion, dit McCormick.

Pour ajouter des phonons à l'ion, Les chercheurs du NIST ont alterné des impulsions laser ultraviolettes juste au-dessus et en dessous de la différence de fréquence entre deux des états de « spin » des ions, ou des configurations énergétiques internes. Chaque impulsion a basculé l'ion de "spin up" à "spin down" ou vice versa, avec chaque flip ajoutant un quantum de mouvement de bascule ionique. Pour créer des superpositions, les chercheurs ont appliqué ces impulsions laser à seulement la moitié de la fonction d'onde de l'ion (le modèle ondulatoire de la probabilité de l'emplacement et de l'état de spin de la particule). L'autre moitié de la fonction d'onde était dans un troisième état de spin qui n'était pas affecté par les impulsions laser et restait immobile.

Les superpositions de l'état immobile (ou fondamental) de l'ion et d'un nombre de phonons plus élevé ont donné aux chercheurs du NIST une sensibilité de mesure "quantique améliorée", ou de précision. Ils ont utilisé l'ion comme interféromètre, un instrument qui divise et fusionne deux ondes partielles pour créer un motif d'interférence qui peut être analysé pour caractériser la fréquence. Les chercheurs du NIST ont utilisé l'interféromètre pour mesurer la fréquence d'oscillation de l'ion avec une incertitude inférieure à ce qui est normalement possible.

Spécifiquement, précision de mesure augmentée linéairement avec le nombre de quanta de mouvement, jusqu'à la meilleure performance dans l'état de superposition 0 et 12, qui offrait plus de deux fois la sensibilité d'un état quantique au comportement classique (techniquement composé d'un ensemble d'états numériques). Cet état de superposition 0 et 12 était également plus de sept fois plus précis que la superposition d'interféromètre la plus simple de 0 et 1.

Pour comprendre pourquoi les états de superposition permettent de mesurer plus précisément la fréquence d'oscillation de l'ion, McCormick suggère d'imaginer une roue à rayons.

"Dans un certain espace abstrait qui décrit la position et la quantité de mouvement de l'ion, l'oscillation est représentée par une rotation, " a déclaré McCormick. "Nous voulons pouvoir mesurer cette rotation très précisément. Les superpositions de l'état fondamental du mouvement de l'ion et des états de nombre plus élevé sont une excellente règle pour cette mesure car, dans cette représentation abstraite, ils peuvent être visualisés comme une roue à rayons. Ces rayons peuvent être utilisés pour déterminer le montant par lequel l'État a tourné. Et plus l'état du nombre est élevé, plus il y a de rayons et plus nous pouvons mesurer précisément cette rotation."

La sensibilité de mesure offerte par les états de superposition devrait permettre de caractériser et de réduire le bruit dans le mouvement, une source d'erreur importante que les chercheurs souhaitent minimiser dans le traitement de l'information quantique avec des ions piégés.