Un rotor à l'échelle nanométrique (tige noire) est mis en lévitation par deux faisceaux laser à propagation inverse. Lorsque les faisceaux sont éteints, l'état quantique du rotor se disperse en une superposition de toutes les orientations possibles, sauf à certains intervalles de temps où des réveils quantiques se produisent et le rotor prend son orientation initiale. Le rotor peut ensuite être récupéré par les lasers et le processus répété. Crédit :Stickler et al. ©2018 Éditions IOP
Les physiciens ont proposé une toute nouvelle façon de tester le principe de superposition quantique, l'idée qu'un objet quantique peut exister dans plusieurs états en même temps. Le nouveau test est basé sur l'examen de la rotation quantique d'un objet macroscopique, en particulier, un rotor nanométrique, qui est considéré comme macroscopique malgré sa petite taille.
Jusqu'à maintenant, la plupart des tests de superposition quantique ont été basés sur linéaire, plutôt qu'en rotation, mouvement. En examinant le mouvement de rotation, le nouveau test peut conduire à des applications telles que la détection de couple à amélioration quantique, et pourrait donner un aperçu d'une variété de questions ouvertes, comme ce qui provoque l'effondrement de la fonction d'onde quantique.
Les physiciens, dirigé par Klaus Hornberger à l'Université de Duisburg-Essen, Allemagne, ont publié un article sur le test proposé dans un récent numéro du Nouveau Journal de Physique .
La superposition quantique survient parce que, à l'échelle quantique, les particules se comportent comme des ondes. Semblable à la façon dont plusieurs vagues peuvent se chevaucher pour former une seule nouvelle vague, les particules quantiques peuvent exister dans plusieurs états qui se chevauchent en même temps. Si la superposition quantique se produisait dans la vie quotidienne, nous pourrions observer des phénomènes comme le chat de Schrödinger, qui est mort et vivant en même temps jusqu'à ce qu'il soit mesuré, l'obligeant à assumer un seul état.
Dans le nouveau journal, les chercheurs proposent de faire léviter un rotor à l'échelle nanométrique à l'aide de pinces optiques, qui sont formés par deux faisceaux laser polarisés à propagation inverse qui amènent le rotor à s'aligner étroitement avec la polarisation du champ. Lorsque les faisceaux sont éteints, cependant, le rotor étroitement orienté est prévu pour se disperser rapidement dans une superposition de tous les états de rotation possibles lorsqu'il tombe vers le sol en raison de la gravité.
Animation montrant comment un nanorotor peut se disperser dans une superposition quantique d'états de rotation, puis, en raison des interférences quantiques, subir un renouveau, prouver qu'un état quantique a existé. Crédit :James Millen, King's College de Londres
De façon intéressante, le rotor devrait connaître des "réveils quantiques" dans lesquels, à intervalles réguliers dans le temps, l'interférence collective de tous les états de rotation conduit à la réémergence de l'état initial qu'il occupait lors de son alignement par les faisceaux laser. L'orientation peut potentiellement être mesurée en éclairant le rotor avec un laser à sonde faible, et le laser de piégeage pourrait être rallumé pour attraper le rotor dans cet état avant qu'il n'atteigne le sol.
Jusque là, des réveils quantiques d'orientation n'ont été observés que dans les gaz de molécules diatomiques. Comme les nanotiges sont constituées d'au moins 10, 000 atomes, ils sont beaucoup plus gros que les molécules diatomiques, permettant de tester la mécanique quantique dans un régime inexploré.
Les physiciens s'attendent à ce qu'il soit possible d'observer des réveils quantiques des nanotiges en utilisant la technologie existante, comme en utilisant un nanotube de carbone comme rotor. Si c'est le cas, l'observation représenterait un nouveau test macroscopique de superposition quantique.
"En observant les réveils quantiques, nous espérons confirmer la mécanique quantique à une échelle de masse et de complexité sans précédent, explorant ainsi la frontière quantique-classique, " Hornberger a dit Phys.org .
À l'avenir, coauteur James Millen, maintenant au King's College de Londres, prévoit de réaliser l'expérience proposée pour détecter les réveils quantiques macroscopiques.
« Vérifier si la physique quantique s'effondre à une masse élevée est une expérience passionnante, encore intimidant, défi, " Millen a déclaré. "Nous devrons peut-être développer des technologies entièrement nouvelles pour isoler les particules nanométriques, ou même réaliser des expériences dans l'espace. Cependant, cette expérience que nous proposons ouvre une toute nouvelle voie pour sonder des effets quantiques énigmatiques, d'une manière que je crois fermement réalisable avec la technologie d'aujourd'hui. Par ailleurs, nous pourrons exploiter cette physique pour développer des dispositifs utiles d'une sensibilité sans précédent."
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