Mort et vivant :le chat de Schrödinger est empêtré dans un atome. Si l'atome est excité, le chat est vivant. S'il s'est détérioré, le chat est mort. Dans l'expérience, une impulsion lumineuse représente les deux états (pics) et peut être en superposition des deux, tout comme le chat. Crédit :Christoph Hohmann, Initiative sur les nanosystèmes de Munich (NIM)
Une vieille expérience de pensée apparaît maintenant sous un nouveau jour. En 1935, Erwin Schrödinger a formulé une expérience de pensée conçue pour saisir la nature paradoxale de la physique quantique. Un groupe de chercheurs dirigé par Gerhard Rempe, Directeur du Département de dynamique quantique à l'Institut Max Planck d'optique quantique, a maintenant réalisé une version optique de l'expérience de pensée de Schrödinger en laboratoire. Dans ce cas, les impulsions de lumière laser jouent le rôle du chat. Les enseignements tirés du projet ouvrent de nouvelles perspectives pour un meilleur contrôle des états optiques, qui pourra à l'avenir être utilisé pour les communications quantiques.
"Selon l'idée de Schrödinger, il est possible pour une particule microscopique, comme un seul atome, exister dans deux états différents à la fois. C'est ce qu'on appelle une superposition. De plus, lorsqu'une telle particule interagit avec un objet macroscopique, ils peuvent devenir « enchevêtrés », et l'objet macroscopique peut se retrouver dans un état de superposition. Schrödinger a proposé l'exemple d'un chat, qui peut être à la fois mort et vivant, selon qu'un atome radioactif s'est désintégré ou non - une notion qui est en conflit évident avec notre expérience quotidienne, " explique le professeur Rempe.
Afin de réaliser cette expérience philosophique de gedanken en laboratoire, les physiciens se sont tournés vers divers systèmes modèles. Celui mis en œuvre dans ce cas suit un schéma proposé par les théoriciens Wang et Duan en 2005. Ici, la superposition de deux états d'une impulsion optique sert de chat. Les techniques expérimentales nécessaires à la mise en œuvre de cette proposition – en particulier un résonateur optique – ont été développées dans le groupe de Rempe au cours des dernières années.
Un test pour la portée de la mécanique quantique
Les chercheurs impliqués dans le projet étaient initialement sceptiques quant à savoir s'il serait possible de générer et de détecter de manière fiable de tels états de chat enchevêtrés mécaniquement quantiques avec la technologie disponible. La difficulté majeure résidait dans la nécessité de minimiser les pertes optiques dans leur expérience. Une fois cet objectif atteint, toutes les mesures ont été trouvées pour confirmer la prédiction de Schrödinger. L'expérience permet aux scientifiques d'explorer le champ d'application de la mécanique quantique et de développer de nouvelles techniques de communication quantique.
Le laboratoire de l'Institut Max Planck de Garching est équipé de tous les outils nécessaires pour réaliser des expériences de pointe en optique quantique. Une chambre à vide et des lasers de haute précision sont utilisés pour isoler un seul atome et manipuler son état. Au cœur de l'installation se trouve un résonateur optique, composé de deux miroirs séparés par une fente de seulement 0,5 mm de large, où un atome peut être piégé. Une impulsion laser est introduite dans le résonateur et réfléchie, et interagit ainsi avec l'atome. Par conséquent, la lumière réfléchie s'entremêle avec l'atome. En effectuant une mesure appropriée sur l'atome, l'impulsion optique peut être préparée dans un état de superposition, tout comme celui du chat de Schrödinger. Une particularité de l'expérience est que les états intriqués peuvent être générés de manière déterministe. En d'autres termes, un état de chat est produit à chaque essai.
"Nous avons réussi à générer des états de chats optiques volants, et démontré qu'ils se comportent conformément aux prédictions de la mécanique quantique. Ces résultats prouvent que notre méthode de création d'états de chat fonctionne, et nous a permis d'explorer les paramètres essentiels, ", déclare le doctorant Stephan Welte.
Tout un zoo d'états pour la future communication quantique
"Dans notre configuration expérimentale, nous avons réussi non seulement à créer un état de chat spécifique, mais arbitrairement beaucoup de ces états avec différentes phases de superposition - un zoo entier, pour ainsi dire. Cette capacité pourrait à l'avenir être utilisée pour coder des informations quantiques, " ajoute Bastian Hacker.
"Le chat de Schrödinger était à l'origine enfermé dans une boîte pour éviter toute interaction avec l'environnement. Nos états optiques de chat ne sont pas enfermés dans une boîte. Ils se propagent librement dans l'espace. Pourtant, ils restent isolés de l'environnement et conservent leurs propriétés sur de longues distances. Dans l'avenir, nous pourrions utiliser cette technologie pour construire des réseaux quantiques, dans lequel les états de chat optique volant transmettent des informations, " dit Gerhard Rempe. Cela souligne l'importance de la dernière réalisation de son groupe.
