La première détection directe d'ondes gravitationnelles, un phénomène prédit par la théorie de la relativité générale d'Einstein en 1915, a été rapporté par des scientifiques en 2016.

Fort de cette "découverte du siècle", des physiciens du monde entier ont planifié de nouveaux et meilleurs détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Le physicien professeur Chunnong Zhao et ses récents doctorants Haixing Miao et Yiqiu Ma sont membres d'une équipe internationale qui a créé une nouvelle conception particulièrement intéressante pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles.

La nouvelle conception est une véritable percée car elle peut mesurer des signaux inférieurs à une limite qui était auparavant considérée comme une barrière infranchissable. Les physiciens appellent cette limite la limite quantique standard. Elle est fixée par le principe d'incertitude quantique.

La nouvelle conception, Publié dans La nature magazine cette semaine, montre que cela n'est peut-être plus un obstacle.

L'utilisation de cette approche et d'autres nouvelles approches peut permettre aux scientifiques de surveiller les collisions de trous noirs et les "séismes spatiaux" dans l'ensemble de l'univers visible.

Comment fonctionnent les détecteurs d'ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles ne sont pas des vibrations voyageant dans l'espace, mais plutôt des vibrations de l'espace lui-même. Ils nous ont déjà parlé d'une population étonnamment importante de trous noirs. Nous espérons qu'une étude plus approfondie des ondes gravitationnelles nous aidera à mieux comprendre notre univers.

Mais les technologies des détecteurs d'ondes gravitationnelles sont susceptibles d'avoir une importance énorme au-delà de cet aspect de la science, parce qu'en eux-mêmes, ils nous enseignent comment mesurer des quantités d'énergie incroyablement petites.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles utilisent la lumière laser pour capter de minuscules vibrations de l'espace créées lorsque les trous noirs entrent en collision. Les collisions créent de vastes explosions gravitationnelles. Ce sont les plus grosses explosions connues dans l'univers, convertir la masse directement en vibrations de l'espace pur.

Il faut d'énormes quantités d'énergie pour faire plier et onduler l'espace. Nos détecteurs – des appareils d'une perfection exquise qui utilisent de gros miroirs lourds avec des lasers terriblement puissants – doivent mesurer l'espace qui s'étend d'un simple milliardième de milliardième de mètre sur l'échelle de quatre kilomètres de nos détecteurs. Ces mesures représentent déjà la plus petite quantité d'énergie jamais mesurée.

Mais pour les astronomes des ondes gravitationnelles, ce n'est pas suffisant. Ils ont besoin d'encore plus de sensibilité pour pouvoir entendre beaucoup plus de "sons" gravitationnels prédits, y compris le son du moment où l'univers a été créé dans le big bang.

C'est là qu'intervient le nouveau design.

Une idée effrayante d'Einstein

Le nouveau concept est fondé sur le travail original d'Albert Einstein.

En 1935, Albert Einstein et ses collègues Boris Podolsky et Nathan Rosen tentèrent de déposer la théorie de la mécanique quantique en montrant qu'elle prédisait des corrélations absurdes entre des particules très espacées.

Einstein a prouvé que si la théorie quantique était correcte, alors des paires d'objets très espacés pouvaient s'empêtrer comme deux mouches emmêlées dans une toile d'araignée. Bizarrement, l'enchevêtrement n'a pas diminué, quelle que soit la distance à laquelle vous avez autorisé les objets à se déplacer.

Einstein a qualifié l'enchevêtrement d'"action effrayante à distance". Il était sûr que sa découverte éliminerait une fois pour toutes la théorie de la mécanique quantique, mais cela ne devait pas être.

Depuis les années 1980, les physiciens ont démontré à maintes reprises que l'intrication quantique est réelle. Même s'il le détestait, La prédiction d'Einstein était juste et à son grand dam, la théorie quantique était correcte. Les choses à distance pourraient être emmêlées.

Aujourd'hui, les physiciens se sont habitués à "l'effroi", et la théorie de l'enchevêtrement a été exploitée pour l'envoi de codes secrets qui ne peuvent pas être interceptés.

Autour du monde, des organisations telles que Google et IBM et des laboratoires universitaires tentent de créer des ordinateurs quantiques qui dépendent de l'intrication.

Et maintenant, Zhao et ses collègues veulent utiliser le concept d'enchevêtrement pour créer la conception du nouveau détecteur d'ondes gravitationnelles.

Une nouvelle façon de mesurer les ondes gravitationnelles

L'aspect passionnant de la nouvelle conception du détecteur est qu'il s'agit en fait d'une nouvelle façon de faire fonctionner les détecteurs existants. Il utilise simplement le détecteur deux fois.

Une fois, les photons dans le détecteur sont modifiés par l'onde gravitationnelle de manière à capter les ondes. La deuxième fois, le détecteur est utilisé pour modifier l'intrication quantique de telle sorte que le bruit dû à l'incertitude quantique ne soit pas détecté.

La seule chose qui est détectée est le mouvement des miroirs éloignés provoqué par l'onde gravitationnelle. Le bruit quantique du principe d'incertitude n'apparaît pas dans la mesure.

Pour que ça marche, vous devez commencer par des photons intriqués qui sont créés par un appareil appelé presse-étoupe quantique. Cette technologie a été mise au point pour l'astronomie des ondes gravitationnelles à l'Australian National University, et est maintenant une technique établie.

Comme beaucoup des meilleures idées, la nouvelle idée est très simple, mais celui qui a pris une énorme perspicacité à reconnaître. Vous injectez une infime quantité de lumière comprimée à partir d'un presse-agrumes quantique, et utilisez-le deux fois!

Partout dans le monde, des physiciens se préparent à tester la nouvelle théorie et à trouver la meilleure façon de la mettre en œuvre dans leurs détecteurs. L'un d'eux est le détecteur d'ondes gravitationnelles GEO à Hanovre en Allemagne, qui a été un banc d'essai pour de nombreuses nouvelles technologies qui ont permis la découverte capitale des ondes gravitationnelles l'année dernière.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.