Quand un embouteillage n'est-il pas un embouteillage ? Quand c'est un embouteillage quantique, bien sûr. Ce n'est qu'en physique quantique que le trafic peut être immobile et se déplacer en même temps.

Un nouvel article théorique de scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Maryland suggère que la création intentionnelle d'un tel embouteillage à partir d'un anneau de plusieurs milliers d'atomes ultrafroids pourrait permettre des mesures précises du mouvement. S'il est mis en œuvre avec la bonne configuration expérimentale, les atomes pourraient fournir une mesure de la gravité, peut-être même à des distances aussi courtes que 10 micromètres - environ un dixième de la largeur d'un cheveu humain.

Alors que les auteurs soulignent qu'il reste beaucoup de travail pour montrer qu'une telle mesure serait réalisable, le gain potentiel serait une clarification de l'attraction de la gravité à des échelles de longueur très courtes. Les anomalies pourraient fournir des indices majeurs sur le comportement de la gravité, y compris pourquoi notre univers semble s'étendre à un rythme accéléré.

En plus de répondre potentiellement à des questions fondamentales profondes, ces anneaux d'atomes peuvent avoir des applications pratiques, trop. Ils pourraient conduire à des capteurs de mouvement bien plus précis qu'auparavant, ou servir de commutateurs pour les ordinateurs quantiques, avec 0 représenté par l'embouteillage atomique et 1 par le trafic atomique en mouvement.

Les auteurs de l'article sont affiliés au Joint Quantum Institute et au Joint Center for Quantum Information and Computer Science, qui sont tous deux des partenariats entre le NIST et l'Université du Maryland.

Au cours des deux dernières décennies, les physiciens ont exploré un état exotique de la matière appelé condensat de Bose-Einstein (BEC), qui existe lorsque les atomes se chevauchent à des températures glaciales à un degré du zéro absolu. Dans ces conditions, un petit nuage d'atomes peut essentiellement devenir un grand "superatome" quantique, " permettant aux scientifiques d'explorer plus facilement des propriétés potentiellement utiles comme la supraconductivité et la superfluidité.

Les physiciens théoriciens Stephen Ragole et Jake Taylor, les auteurs de l'article, ont maintenant suggéré qu'une variation sur l'idée BEC pourrait être utilisée pour détecter la rotation ou même explorer la gravité sur de courtes distances, où d'autres forces telles que l'électromagnétisme surpassent généralement les effets de la gravité. L'idée est d'utiliser des faisceaux laser - déjà couramment utilisés pour manipuler des atomes froids - pour enchaîner quelques milliers d'atomes dans un anneau de 10 à 20 micromètres de diamètre.

Une fois l'anneau formé, les lasers le mettraient doucement en mouvement, faire circuler les atomes autour de lui comme des voitures roulant l'une après l'autre sur une rocade à une seule voie. Et tout comme les pneus de voiture patinent sur le trottoir, les propriétés des atomes capteraient l'influence du monde qui les entoure - y compris les effets de la gravité des masses à quelques micromètres seulement.

L'anneau tirerait parti de l'un des comportements contre-intuitifs de la mécanique quantique pour aider les scientifiques à mesurer réellement ce que ses atomes captent de la gravité. Les lasers pourraient remuer les atomes dans ce qu'on appelle une "superposition, " c'est-à-dire qu'ils seraient à la fois en circulation autour de l'anneau et simultanément à l'arrêt. Cette superposition de flux et de blocage permettrait de maintenir les relations entre les atomes de l'anneau pendant quelques millisecondes cruciales après avoir supprimé leurs contraintes laser, suffisamment de temps pour mesurer leurs propriétés avant de se disperser.

Non seulement cet embouteillage quantique pourrait surmonter un défi difficile de mesure de la gravité, mais cela pourrait aider les physiciens à écarter certaines des nombreuses théories concurrentes sur l'univers, ce qui pourrait aider à éliminer un embouteillage d'idées de longue date.

L'un des grands mystères du cosmos est de savoir pourquoi il se développe à un rythme apparemment accéléré. Les physiciens ont suggéré une force extérieure, surnommé "l'énergie noire, " provoque cette expansion, mais ils n'ont pas encore découvert son origine. L'une des nombreuses théories est que dans le vide de l'espace, des particules virtuelles éphémères apparaissent et disparaissent constamment, et leur répulsion mutuelle crée des effets d'énergie noire. Bien que ce soit une explication assez raisonnable à certains niveaux, les physiciens calculent que ces particules créeraient tellement de force répulsive qu'elle ferait immédiatement éclater l'univers. Alors, comment peuvent-ils concilier les observations avec l'idée de la particule virtuelle ?

"Une possibilité est que le tissu de base de l'espace-temps ne réponde qu'à des particules virtuelles distantes de plus de quelques micromètres, "Taylor a dit, "et c'est exactement le genre de séparation que nous pourrions explorer avec cet anneau d'atomes froids. Donc, s'il s'avère que vous pouvez ignorer l'effet des particules qui opèrent sur ces échelles de longueur courte, vous pouvez expliquer une grande partie de cette énergie répulsive non observée. ce serait là, cela n'affecterait tout simplement rien à l'échelle cosmique."

La recherche paraît dans la revue Lettres d'examen physique .