L'évolution d'un spin et son incertitude en orbite en raison d'un champ magnétique. L'incertitude, initialement égaux dans toutes les directions, est pressé uniquement dans le composant hors plan, laissant les deux composants dans le plan hautement certains. Crédit :ICFO
Les chercheurs de l'ICFO rapportent la découverte d'une nouvelle technique qui pourrait améliorer considérablement la sensibilité d'instruments tels que les imageurs à résonance magnétique (IRM) et les horloges atomiques. L'étude, Publié dans La nature , rapporte une technique pour contourner le principe d'incertitude de Heisenberg. Cette technique masque l'incertitude quantique dans les caractéristiques atomiques non vues par l'instrument, permettant aux scientifiques d'effectuer des mesures de très haute précision.
Capteurs à la pointe de la technologie, comme les IRM et les horloges atomiques, sont capables de faire des mesures avec une précision exquise. L'IRM est utilisée pour imager les tissus profonds du corps humain et nous dit si nous pourrions souffrir d'une maladie, tandis que les horloges atomiques sont des chronométreurs extrêmement précis utilisés pour le GPS, synchronisation internet, et interférométrie à longue base en radioastronomie. On pourrait penser que ces deux instruments n'ont rien en commun, mais ils le font :les deux technologies sont basées sur une mesure précise du spin de l'atome, le mouvement semblable à un gyroscope des électrons et du noyau. En IRM, par exemple, l'angle de pointage de la rotation donne des informations sur l'endroit où se trouve l'atome dans le corps, tandis que la quantité de spin (l'amplitude) est utilisée pour distinguer différents types de tissus. En combinant ces deux informations, l'IRM peut faire une carte 3D des tissus du corps.
La sensibilité de ce type de mesure a longtemps été considérée comme limitée par le principe d'incertitude de Heisenberg, qui stipule que mesurer avec précision une propriété d'un atome met une limite à la précision de mesure que vous pouvez obtenir sur une autre propriété. Par exemple, si nous mesurons la position d'un électron avec une grande précision, Le principe de Heisenberg limite la précision de la mesure de sa quantité de mouvement. Étant donné que la plupart des instruments atomiques mesurent deux propriétés (amplitude et angle de spin), le principe semble dire que les lectures contiendront toujours une certaine incertitude quantique. Cette attente de longue date a maintenant été réfutée, cependant, par les chercheurs de l'ICFO, le Dr Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet et Dr Robert J. Sewell, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Morgan W. Mitchell. Dans leur article "Simultaneous tracking of spin angle and amplitude beyond classic bounds", publié cette semaine dans La nature , ils décrivent comment un instrument bien conçu peut presque complètement éviter l'incertitude quantique.
L'astuce est de se rendre compte que la rotation n'a pas un mais deux angles de pointage, un pour le sens nord-est-sud-ouest, et l'autre pour l'élévation au-dessus de l'horizon. L'équipe ICFO a montré comment mettre presque toute l'incertitude dans l'angle qui n'est pas mesuré par l'instrument. De cette façon, ils obéissaient toujours à l'exigence d'incertitude de Heisenberg, mais cacha l'incertitude là où elle ne peut faire de mal. Par conséquent, ils ont pu obtenir une mesure angle-amplitude d'une précision sans précédent, indifférent à l'incertitude quantique.
Le professeur Mitchell utilise une analogie solide pour déclarer que « Pour les scientifiques, le principe d'incertitude est très frustrant - on aimerait tout savoir, mais Heisenberg dit que nous ne pouvons pas. Dans ce cas, bien que, nous avons trouvé un moyen de savoir tout ce qui compte pour nous. C'est comme la chanson des Rolling Stones :vous ne pouvez pas toujours obtenir ce que vous voulez / mais si vous essayez parfois, vous pourriez juste trouver / vous obtenez ce dont vous avez besoin. »
Ferran Martin Ciurana et le Dr Giorgio Colangelo travaillant sur le montage expérimental. Crédit :ICFO
Dans leur étude, l'équipe ICFO a refroidi un nuage d'atomes à quelques microKelvin, appliqué un champ magnétique pour produire un mouvement de spin comme en IRM, et illuminé le nuage avec un laser pour mesurer l'orientation des spins atomiques. Ils ont observé que l'angle de rotation et l'incertitude peuvent être surveillés en continu avec une sensibilité au-delà des limites précédemment attendues, bien qu'obéissant toujours au principe de Heisenberg.
Quant aux défis rencontrés au cours de l'expérience, Colangelo commente que « en premier lieu, nous avons dû développer un modèle théorique pour voir si ce que nous voulions faire était vraiment possible. Puis, toutes les technologies que nous avons utilisées pour l'expérimentation n'existaient pas lorsque nous avons commencé :parmi elles, nous avons dû concevoir et développer un détecteur particulier suffisamment rapide et à très faible bruit. Nous avons également dû améliorer considérablement la façon dont nous "préparions" les atomes et trouver un moyen d'utiliser efficacement toute la plage dynamique que nous avions dans le détecteur. C'était une bataille contre le côté obscur de Quantum, mais nous l'avons gagné !"
Les résultats de l'étude sont d'une importance capitale puisque cette nouvelle technique montre qu'il est possible d'obtenir des mesures encore plus précises des spins atomiques, ouvrant une nouvelle voie au développement d'instruments beaucoup plus sensibles et permettant la détection de signaux, comme les ondes gravitationnelles ou l'activité cérébrale, avec une précision sans précédent.
