Le principe d'incertitude de Heisenberg, l'impossibilité fondamentale de mesurer simultanément des propriétés telles que la position et la quantité de mouvement, est au cœur de la théorie quantique. Les physiciens de l'ETH Zurich ont maintenant démontré une manière élégante de détendre cette incompatibilité intrinsèque à l'aide d'un oscillateur mécanique formé d'un seul ion piégé, ouvrant une voie tant aux études fondamentales qu'aux usages pratiques.

Le principe d'incertitude de Heisenberg postule qu'il existe une limite fondamentale à la précision avec laquelle les variables dites complémentaires, comme la position et l'élan, peut être mesuré. C'est-à-dire, plus la vitesse et la direction (et donc la quantité de mouvement) d'une particule quantique sont connues avec précision, moins nous pouvons être sûrs de sa position. Remarquablement, cette limitation intrinsèque peut être assouplie lorsque les mesures extraient des fonctions périodiques de position et de quantité de mouvement avec une échelle de longueur et de quantité de mouvement caractéristiques, respectivement. Tout simplement, l'incertitude de l'une ou l'autre des variables peut être répartie de manière large, des structures en forme de peigne dans lesquelles chaque dent est encore relativement acérée, permettant ainsi des mesures précises dans une plage limitée.

Christa Fluehmann et ses collègues du groupe de Jonathan Home du département de physique de l'ETH Zurich ont maintenant exploré l'utilisation de telles mesures modulaires de position et de quantité de mouvement pour étudier le comportement dynamique d'un oscillateur mécanique constitué d'un seul ion piégé. Comme ils le rapportent dans un article paru en ligne aujourd'hui dans Examen physique X , ils ont utilisé des séquences de plusieurs mesures périodiques de position et de quantité de mouvement - en faisant varier la période, ils pouvaient contrôler si une mesure perturbait ou non l'état de la suivante. À des valeurs spécifiques de la période, ils ont découvert que de telles mesures peuvent éviter les perturbations, alors que d'autres choix produisaient de fortes perturbations. L'observation des perturbations est une signature que l'ion unique présente un comportement quantique - pour un oscillateur classique, les mesures modulaires sont censées être toujours non perturbées.

La possibilité d'ajuster le degré de perturbation entre les mesures suivantes ouvre la possibilité d'effectuer des tests fondamentaux de la mécanique quantique. La mécanique quantique peut être distinguée de la physique classique en considérant les connexions causales - à quel point une mesure perturbe la suivante - et aussi en examinant les corrélations entre les mesures. Fluehmann et al. explorer ce dernier en mesurant les corrélateurs temporels entre les mesures séquentielles et les utiliser pour violer l'inégalité dite de Leggett-Garg (ce qui est également intrinsèquement impossible avec un système purement classique).

Dans ce cas, certaines des violations ne peuvent pas être expliquées par la perturbation entre les mesures suivantes. La relation entre la perturbation et les violations de l'inégalité de Leggett-Garg est subtile, mais l'une ou l'autre méthode certifie la nature quantique des états de l'oscillateur. En effet, ces états sont parmi les états d'oscillateurs quantiques les plus complexes produits à ce jour. Ils généralisent la célèbre expérience de pensée du chat de Schroedinger à huit états mésoscopiques distincts, analogue à un chat se trouvant à des stades distincts de la maladie plutôt que d'être simplement mort ou vivant.

En vue des implications pratiques, La mesure modulaire de la position et de la quantité de mouvement sont des éléments centraux d'un certain nombre de propositions de protocoles de calcul quantique et de mesure de précision qui exploitent les fonctions périodiques de position et de quantité de mouvement pour échapper au principe d'incertitude de Heisenberg. Le travail de Fluehmann et de ses collaborateurs fournit un ingrédient fondamental - la mesure - pour de telles applications, les rapprochant ainsi de leur portée.