En utilisant un condensat de Bose-Einstein composé de millions d'atomes de sodium, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont observé une transition de phase quantique induite magnétiquement où ils s'attendent à trouver des paires atomiques enchevêtrées. Le travail rapproche les scientifiques d'un état insaisissable enchevêtré qui aurait des applications potentielles de détection et de calcul au-delà de ses intérêts scientifiques fondamentaux.

L'utilisation d'atomes intriqués à partir d'un condensat pourrait améliorer la sensibilité et réduire le bruit lors de la détection de très petits changements dans les propriétés physiques telles que les champs magnétiques ou la rotation. Et cela pourrait également fournir une base pour les ordinateurs quantiques capables d'effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs numériques conventionnels.

Parrainé par la National Science Foundation, la recherche a été signalée le 23 janvier comme une communication rapide dans le journal Examen physique A .

"Nous avons défini une fenêtre où nous espérons pouvoir observer l'intrication, " dit Chandra Raman, professeur agrégé à la Georgia Tech School of Physics. "Nous savons maintenant où le chercher, et nous savons comment le chercher."

Raman et l'ancien étudiant diplômé Anshuman Vinit ont étudié les condensats de Bose-Einstein (BEC) en tant que source d'enchevêtrement, cherchant à tirer parti de la pureté quantique du système pour créer des conditions où la corrélation entre les atomes pourrait se produire. Les BEC ne contiennent normalement pas d'atomes intriqués.

« Nous avons trouvé des moyens de concevoir le système pour créer un enchevêtrement, " a expliqué Raman. " Nous avons examiné le comportement du système pendant que nous réglions le champ magnétique très près de la limite de phase et avons montré que la limite avait un point très nettement défini. Nous avons pu résoudre cette limite avec un niveau d'incertitude que nous ne pensions pas pouvoir obtenir jusqu'à ce que nous ayons fait l'expérience. »

Les prédictions théoriques ont suggéré qu'à la frontière entre les différentes phases magnétiques d'un condensat de Bose-Einstein spineur, les scientifiques découvriraient un état quantique intriqué de tous les atomes. Dans les condensats spinor Bose-Einstein, les moments magnétiques individuels n'ont pas besoin d'avoir une orientation bien définie dans l'espace, mais plutôt, peut exister dans une superposition d'orientations différentes.

Dans leur expérience, les chercheurs ont identifié deux phases :antiferromagnétique et polaire. Dans la phase polaire, les atomes alignent tous leurs moments verticalement, en phase antiferromagnétique, ils sont alignés horizontalement. Dans un BEC exactement à la limite entre ces phases, les théoriciens avaient prédit l'existence d'une superposition de mécanique quantique de tous les alignements possibles, un état intriqué.

Les chercheurs n'ont pas encore observé cet état intriqué, mais leurs travaux jusqu'à présent ont défini une fenêtre expérimentale dans laquelle rechercher de nouveaux effets physiques régissant différentes phases magnétiques, ou pour générer des états intriqués pertinents pour les systèmes quantiques.

Des recherches antérieures dans le laboratoire de Raman avaient produit les deux phases, mais la frontière entre eux a été "barbouillée" par des inhomogénéités de champ magnétique. En lissant le champ magnétique pour qu'il soit plus uniforme, les chercheurs ont pu éliminer les variations pour produire une frontière nette entre les phases.

Dans la zone de transition étroitement définie identifiée dans la recherche, les atomes sont déchirés entre les deux phases, provoquant la formation de paires enchevêtrées, dit Raman. L'état peut être suffisamment stable pour trouver des applications pratiques, bien que les scientifiques ne sauront pas avec certitude jusqu'à ce qu'ils puissent réellement observer et mesurer les propriétés.

Les chercheurs ont mesuré la frontière dans leur système en "sautant" le champ magnétique d'une partie du BEC à une autre. Le mouvement a créé une instabilité dynamique dans le système atomique; plus l'instabilité est grande, moins le système met de temps pour revenir à l'équilibre, comme le prédit la théorie quantique.

Les chercheurs pensent maintenant avoir préparé le terrain pour observer l'intrication dans un petit groupe d'atomes, peut-être pas plus d'un millier.

"A notre sensibilité actuelle, nous pensons pouvoir observer ces états corrélés en spin avec un nombre raisonnable de particules, " a dit Raman. " Nous pensons que c'est expérimentalement faisable, et puisque nous pouvons mesurer la frontière avec précision, nous pouvons commencer à tester les théories régissant le comportement dans ce régime. »

Une fois que cela est affiché, le grand ensemble d'atomes pourrait être décomposé en de nombreux petits groupes fonctionnant indépendamment, chacun avec des limites de phase contenant des atomes intriqués.

Bien que Raman trouve la science fondamentale et l'informatique quantique intéressantes, il est également enthousiasmé par les applications potentielles de détection.

"Si vous pouviez réduire le niveau de bruit grâce à l'utilisation intelligente de superpositions de mécanique quantique, vous pourriez réaliser des capteurs qui sont plus précis et pourraient détecter des effets plus petits, " a-t-il dit. " Dans la détection quantique, vous pouvez utiliser l'intrication pour augmenter la précision des mesures à des niveaux qui, dans les systèmes de capteurs classiques, aurait un niveau de bruit plus élevé."

Dans les systèmes oscillants classiques tels que les tirages au sort, chaque flip est un système indépendant et a un certain niveau de bruit. Mais à cause de la corrélation, les paires atomiques ne seraient plus des systèmes indépendants.

« Dans un système classique ordinaire, il y a un certain bruit lié au fait que vous faites des mesures sur des systèmes indépendants, " dit-il. " Dans les systèmes quantiques, il est possible de supprimer ce bruit si les atomes sont corrélés. C'est comme si les pièces se parlaient."

Les capteurs quantiques pourraient donc être capables de détecter des changements de rotation ou de variation magnétique trop faibles pour les capteurs d'aujourd'hui. D'autres applications pourraient être trouvées dans la mesure spectroscopique, dit Raman.