Les doctorants Junxin Chen et Massimiliano Rossi de part et d'autre de David Mason, premier auteur de l'article dans Nature Physics. David tient la membrane de nitrure de silicium dans sa main avec une pince à épiler. Crédit :Institut Niels Bohr
Chercheurs du Schliesser Lab à l'Institut Niels Bohr, Université de Copenhague, ont poussé la précision des mesures de force et de position dans un nouveau régime. Leur expérience est la première à dépasser la soi-disant "limite quantique standard, " ou SQL, qui se pose dans les techniques optiques les plus courantes (et réussies) pour des mesures de position ultra-précises. Depuis plus de 50 ans, les expérimentateurs se sont précipités pour battre le SQL en utilisant une variété de techniques, mais en vain. Dans leurs récents travaux, les chercheurs de l'institut Niels Bohr ont fait le tour avec une simple modification de l'approche standard, ce qui permet l'annulation nécessaire du bruit quantique dans la mesure. Le résultat et l'expérience sous-jacente ont des implications potentielles pour les techniques d'astronomie des ondes gravitationnelles, ainsi que la microscopie à force avec des applications biologiques. L'ouvrage est maintenant publié dans la prestigieuse revue scientifique, Physique de la nature .
Le problème avec le bruit quantique
Les actions quantiques ont des conséquences quantiques. Dans le cadre des mesures, cela signifie souvent que le fait même de mesurer un système quantique le perturbe. Cet effet est appelé « réaction, " et est une conséquence des incertitudes quantiques fondamentales, conçu pour la première fois par Werner Heisenberg lors de son séjour à l'Institut de Copenhague de Niels Bohr dans les années 1920. Dans de nombreux cas, cela fixe une limite à la précision d'une mesure.
Les télescopes à ondes gravitationnelles comme LIGO, l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser, dont les découvertes ont reçu le prix Nobel de physique 2017, faire rebondir la lumière laser sur un miroir pour mesurer sa position, dans une configuration optique appelée interféromètre. L'"imprécision" de cette mesure peut être améliorée en augmentant la puissance laser, mais finalement les coups aléatoires des photons laser perturberont la position du miroir, conduisant à une mesure moins sensible qui laisse les objets astronomiques faibles ou distants non détectés. En équilibrant de manière optimale le bruit d'imprécision et la contre-action, on peut atteindre un minimum de bruit supplémentaire, établissant la "Standard Quantum Limit" (SQL). Ce niveau de bruit minimum définit la meilleure précision possible par tout interféromètre conventionnel.
Une fine membrane en nitrure de silicium (blanche) est tendue sur un cadre en silicium (bleu). La membrane contient un motif de trous, avec une petite île au centre, dont les vibrations sont mesurées dans l'expérience. Crédit :Institut Niels Bohr
Pour contourner cette limite, il faut modifier l'interféromètre d'une manière ou d'une autre pour éviter ces sources de bruit quantique. Au cours des 50 années qui ont suivi la création du SQL, diverses propositions ont été avancées, et ces dernières années ont apporté plusieurs démonstrations expérimentales de preuve de principe. Jusque là, aucune expérience n'a réellement mesuré la position d'un objet avec une précision qui bat le SQL. Mais c'est précisément ce que l'équipe de Copenhague a accompli, grâce à des techniques optiques et nanomécaniques avancées.
Mieux que l'étalon-or
« Le SQL est en quelque sorte un étalon-or pour la qualité d'une mesure. Ce n'est rien qui ne puisse fondamentalement être surmonté, mais en ce qui concerne les mesures de force et de position, ça s'est avéré très dur. Même LIGO n'est pas encore là. Mais avec notre système, nous pensions que nous devrions avoir une chance, " explique le professeur Schliesser, qui dirigeait l'équipe. Ce système est une plate-forme expérimentale développée dans le groupe de Schliesser au cours des dernières années. Tout comme LIGO, il utilise un interféromètre alimenté par laser pour mesurer une position, en l'occurrence celui d'une membrane en céramique de nitrure de silicium. Bien que très fin (20 nanomètres), la membrane mesure plusieurs millimètres de large et est facilement visible à l'œil nu. L'« astuce » employée par les chercheurs pour aller au-delà du SQL consiste à effectuer une mesure spéciale de la lumière réfléchie par la membrane. Dans cette configuration, le détecteur est capable de mesurer simultanément à la fois l'imprécision et la contre-action d'une manière qui permet à ces sources de bruit de s'annuler l'une l'autre. En d'autres termes, ce qui reste est une mesure "propre".
Une amélioration de 30 pour cent est une très bonne nouvelle pour les applications pratiques
« Une fois que nous avons su que nous pouvions nous rapprocher du SQL, les modifications nécessaires pour le battre étaient en fait assez simples, " explique le Dr David Mason, un postdoc américain à Copenhague, et auteur principal de l'étude. « Nous utilisons des effets quantiques qui surviennent dans la configuration de mesure elle-même, donc l'effort technologique supplémentaire est en fait limité. C'est une bonne nouvelle pour les applications pratiques potentielles." En utilisant cette technique, le groupe du NBI a pu mesurer la position de leur membrane avec une précision près de 30 % supérieure à ce que le SQL permettrait. Cela marque un tournant décisif pour les mesures quantiques d'objets mécaniques, en soulignant à quel point l'état de l'art a été avancé, et suggérant une voie lumineuse à suivre. Des systèmes opto-mécaniques comme celui étudié ici sont sur le point de continuer à contribuer au développement de techniques liées à l'astronomie des ondes gravitationnelles, tout en appliquant leur extrême sensibilité dans d'autres domaines. Les appareils du Schliesser Lab sont déjà intégrés dans des applications de détection de force de pointe, où ils peuvent permettre des images de type IRM à l'échelle nanométrique, peut-être l'imagerie individuelle des virus HI ou de la grippe.
