Une horloge analogique précise tic-tac-tic avec une précision constante et une fréquence bien connue :un tic par seconde. Plus vous le laissez tic tac, pour mieux tester sa précision — 10 fois plus longtemps correspond à une amélioration de dix fois de toute incertitude de fréquence. Mais existe-t-il un moyen plus rapide de déterminer une fréquence ?

Il s'avère qu'il y a, dans une nouvelle découverte publiée cette semaine dans Lettres d'examen physique par une collaboration entre un professeur et étudiant diplômé de l'Université de Washington à St. Louis et un chercheur de l'Université de Rochester.

L'accélération de la mesure de fréquence vient de la mécanique quantique. Lorsqu'un bit quantique est utilisé pour mesurer la fréquence d'un signal, les règles étranges de la mécanique quantique permettent à la mesure de fréquence d'être beaucoup plus précise. La technique repose sur la capacité à mettre le bit quantique dans une superposition de ses deux états quantiques, puis décaler ces états dans le temps avec le signal.

Kater Murch, professeur assistant de physique en Arts &Sciences, ainsi que l'étudiant diplômé Mahdi Naghiloo et le collaborateur théorique Andrew Jordan de Rochester ont décrit la technique comme un "tour de magie quantique".

"Cela rappelle les tours de magie qui impliquent une balle placée sous l'une des deux tasses et les tasses sont mélangées - sauf cette fois, le ballon peut être sous les deux bonnets en même temps, " Murch a déclaré. "L'accélération résultante de la mesure de fréquence est étonnante. Maintenant, en mesurant 10 fois plus longtemps, l'incertitude de fréquence peut être réduite d'un facteur 100, ce qui permet une résolution améliorée de la fréquence au-delà de toute autre technique de ce type. Des travaux théoriques antérieurs publiés par le groupe Jordan cette année ont prouvé dans deux articles distincts que la technique appliquée dans cet article est l'optimum théorique permis par la mécanique quantique. »

L'expérience a été complétée en utilisant un système quantique supraconducteur où un signal oscillant externe avec une fréquence inconnue a fait subir au système quantique des changements périodiques. En appliquant des impulsions quantiques au-dessus du signal oscillant, l'état du système pouvait être contrôlé de sorte que la lecture finale du système quantique devienne très sensible à la valeur précise de la fréquence d'oscillation. La source physique sous-jacente de l'avantage est liée au fait que l'énergie du système quantique dépend du temps, ce qui fait que les états quantiques correspondant à des fréquences différentes accélèrent en s'éloignant les uns des autres, donnant une meilleure distinguabilité dans un temps donné.

Cette méthode a permis une résolution améliorée de la fréquence au-delà de toute autre technique du genre, dit Jordan.

Ce travail n'est qu'un exemple de la façon dont le nouveau domaine des technologies quantiques utilise les lois de la physique quantique pour un avantage technologique par rapport à la physique classique, dit Jordan. D'autres exemples incluent l'informatique quantique, détection quantique et simulation quantique. Pour ces champs, l'exploitation de la physique quantique offre des avantages tels qu'une accélération de la recherche dans les bases de données, la factorisation de grands nombres ou la simulation rapide de molécules complexes.

Une telle mesure à petite échelle de la fréquence d'un signal périodique est l'ingrédient fondamental dans diverses applications, y compris les appareils d'imagerie médicale IRM, l'analyse de la lumière émise par les étoiles et, bien sûr, précision de l'horloge. Accélérer ces mesures d'une manière que Murch et Jordan ont démontré pourrait avoir des impacts profonds dans de nombreux domaines.

Murch et Naghiloo ont utilisé le chronométrage et le GPS, et ces technologies en constante évolution, comme exemples de l'importance de leurs conclusions.

"De nos jours, la plupart d'entre nous ont dans leur poche un téléphone capable de nous dire presque exactement où nous sommes sur Terre à l'aide du système de positionnement global, " Murch a déclaré. "La façon dont cela fonctionne est que votre téléphone reçoit des signaux de plusieurs satellites différents, et en chronométrant l'arrivée relative de ces signaux, il en déduit votre position. La précision du chronométrage est directement liée à la précision de votre position, une relation entre le chronométrage et la navigation qui a persisté pendant des centaines d'années.

"Bien avant le GPS, un marin qui voulait connaître sa position naviguerait par les étoiles. Dans l'hémisphère nord, la hauteur de l'étoile polaire vous indiquera votre latitude, mais pour connaître ta longitude, vous devez garder une trace du temps. Au fur et à mesure de la nuit, les étoiles tournent autour de l'étoile du nord - la hauteur de toute étoile au-dessus de l'horizon est liée à l'heure locale, et en comparant cette heure à une horloge réglée sur l'heure de Greenwich, le décalage horaire donne votre longitude."

Le chronométrage nautique souligne la vitalité des avancées fréquentielles.

« Dans les années 1700, les horloges précises étaient la principale limitation à la navigation océanique, " Murch a déclaré. " La catastrophe navale de Scilly de 1707 - l'un des pires désastres de l'histoire navale britannique - a été largement imputée à une mauvaise navigation, incitant le gouvernement britannique à investir massivement dans des horloges précises. Les chronomètres résultants ont transformé la navigation maritime et ont considérablement accéléré l'ère de la découverte.

"Les progrès de la mesure du temps continuent d'avoir un impact profond sur la technologie et la science fondamentale. Les outils quantiques, comme l'accélération quantique de la mesure de fréquence que nous avons découverte, sont nécessaires pour faire avancer ces technologies. C'est une période passionnante pour la physique quantique, car ces ressources quantiques offrent de plus en plus d'avantages pratiques par rapport aux approches de mesure traditionnelles. »