Des scientifiques de l'Université de Copenhague ont développé une réponse pratique à un défi lié au principe d'incertitude de Heisenberg. Les chercheurs ont utilisé la lumière laser pour relier des atomes de césium et une membrane vibrante. La recherche, le premier du genre, pointe vers des capteurs capables de mesurer le mouvement avec une précision invisible.

Lors de la mesure des structures atomiques ou des émissions lumineuses au niveau quantique au moyen de microscopes avancés ou d'autres formes d'équipement spécial, les choses se compliquent à cause d'un problème qui, durant les années 1920, avait toute l'attention de Niels Bohr et Werner Heisenberg. Et ce problème, traiter les imprécisions qui entachent certaines mesures effectuées au niveau quantique, est décrit dans le principe d'incertitude de Heisenberg, qui stipule que les variables complémentaires d'une particule, comme la vitesse et la position, ne peut jamais être connu simultanément.

Dans un rapport scientifique publié dans le numéro de cette semaine de La nature , Les chercheurs du NBI démontrent que le principe d'incertitude de Heisenberg peut être neutralisé dans une certaine mesure. Cela n'a jamais été montré auparavant, et les résultats peuvent déclencher le développement de nouveaux équipements de mesure, et de nouveaux et meilleurs capteurs.

Professeur Eugène Polzik, responsable de l'Optique Quantique (QUANTOP) à l'Institut Niels Bohr, a dirigé la recherche, qui impliquait la construction d'une membrane vibrante et d'un nuage atomique avancé enfermé dans une minuscule cage de verre.

Objet léger « coups de pied »

Le principe d'incertitude émerge dans les observations menées au microscope fonctionnant à la lumière laser, ce qui conduira inévitablement à ce que l'objet soit frappé par des photons. À la suite de ces coups de pied, l'objet commence à se déplacer de manière aléatoire. Ce phénomène est connu sous le nom d'action de retour quantique (QBA), et ces mouvements aléatoires limitent la précision avec laquelle les mesures peuvent être effectuées au niveau quantique. Pour mener les expérimentations au NBI, le professeur Polzik et ses collaborateurs ont utilisé une membrane sur mesure comme objet observé au niveau quantique.

Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont essayé de trouver des moyens de « tromper » le principe d'incertitude de Heisenberg. Eugene Polzik et ses collègues ont eu l'idée de mettre en œuvre le nuage atomique avancé il y a quelques années. Il se compose de 100 millions d'atomes de césium enfermés dans une cellule de verre hermétiquement fermée, explique le professeur :

"La cellule ne mesure qu'un centimètre de long, 1/3 de millimètre de haut et 1/3 de millimètre de large, et afin de faire fonctionner les atomes comme prévu, les parois cellulaires internes ont été enduites de paraffine. La membrane, dont nous avons observé les mouvements au niveau quantique, mesure 0,5 millimètres, qui est en fait une taille considérable d'un point de vue quantique."

L'idée derrière la cellule de verre est d'envoyer délibérément la lumière laser utilisée pour étudier les mouvements de la membrane à travers le nuage atomique encapsulé avant que la lumière n'atteigne la membrane, explique Eugene Polzik :« Cela a pour résultat que les photons de la lumière laser 'donnent un coup de pied' à l'objet, c'est-à-dire à la membrane, ainsi qu'au nuage atomique, et ces 'coups de pied, ' pour ainsi dire, annuler. Cela signifie qu'il n'y a plus d'action de retour quantique et donc aucune limitation quant à la précision avec laquelle les mesures peuvent être effectuées au niveau quantique. »

Comment cela peut-il être utilisé ?

"Par exemple, lors du développement de nouveaux types de capteurs beaucoup plus avancés pour l'analyse des mouvements, ", dit le professeur Eugene Polzik. "En général, les capteurs fonctionnant au niveau quantique reçoivent beaucoup d'attention ces jours-ci. Un exemple est le Flagship de Quantum Technologies, un vaste programme de l'UE qui soutient également ce type de recherche."

Le fait que ce soit, En effet, possible de «tromper» le principe d'incertitude de Heisenberg peut également s'avérer important pour une meilleure compréhension des ondes gravitationnelles – des ondes dans l'espace se déplaçant à la vitesse de la lumière. En septembre 2015, l'expérience américaine LIGO a publié les premiers enregistrements directs et mesures d'ondes gravitationnelles issues d'une collision entre deux très gros trous noirs. Cependant, l'équipement utilisé par LIGO est influencé par l'action de retour quantique, et la nouvelle recherche du NBI peut s'avérer capable d'éliminer ce problème, dit Polzik.