Les physiciens de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont exploité le phénomène de « compression quantique » pour amplifier et mesurer les mouvements d'un milliardième de mètre d'un seul ion magnésium piégé (atome chargé électriquement).

Décrit dans le numéro du 21 juin de Science , rapide du NIST, la méthode de compression réversible pourrait améliorer la détection de champs électriques extrêmement faibles dans les applications scientifiques des surfaces, par exemple, ou détecter l'absorption de très faibles quantités de lumière dans des appareils tels que les horloges atomiques. La technique pourrait également accélérer les opérations dans un ordinateur quantique.

"En utilisant la compression, nous pouvons mesurer avec une plus grande sensibilité que ce qui pourrait être obtenu sans effets quantiques, ", a déclaré l'auteur principal Shaun Burd.

"Nous démontrons l'un des niveaux de compression quantique les plus élevés jamais rapportés et l'utilisons pour amplifier de petits mouvements mécaniques, " Le physicien du NIST Daniel Slichter a déclaré. "Nous sommes 7,3 fois plus sensibles à ces mouvements que cela ne serait possible sans l'utilisation de cette technique."

Bien que presser une orange puisse faire un gâchis juteux, la compression quantique est un processus très précis, qui déplace l'incertitude de mesure d'un endroit à un autre.

Imaginez que vous tenez un long ballon, et l'air à l'intérieur représente l'incertitude. La compression quantique, c'est comme pincer le ballon à une extrémité pour pousser l'air à l'autre extrémité. Vous déplacez l'incertitude d'un endroit où vous souhaitez des mesures plus précises, à un autre endroit, où l'on peut vivre avec moins de précision, tout en gardant l'incertitude totale du système la même.

Dans le cas de l'ion magnésium, les mesures de son mouvement sont normalement limitées par des fluctuations dites quantiques de la position et de la quantité de mouvement de l'ion, qui se produisent tout le temps, même lorsque l'ion a la plus faible énergie possible. La compression manipule ces fluctuations, par exemple en poussant l'incertitude de la position à l'élan lorsqu'une sensibilité de position améliorée est souhaitée.

Dans la méthode du NIST, un seul ion est maintenu dans l'espace à 30 micromètres (millionièmes de mètre) au-dessus d'une puce de saphir plate recouverte d'électrodes en or utilisées pour piéger et contrôler l'ion. Des impulsions laser et micro-ondes sont appliquées pour calmer les électrons de l'ion et les déplacer vers leurs états d'énergie les plus bas. Le mouvement est ensuite comprimé en agitant la tension sur certaines électrodes à deux fois la fréquence naturelle du mouvement de va-et-vient de l'ion. Ce processus ne dure que quelques microsecondes.

Après la compression, un petit, un champ électrique oscillant "signal de test" est appliqué à l'ion pour le faire bouger un peu dans l'espace tridimensionnel. A amplifier, ce mouvement supplémentaire doit être "synchronisé" avec la compression.

Finalement, l'étape de compression est répétée, mais maintenant avec les tensions d'électrode exactement désynchronisées avec les tensions de compression d'origine. Cette compression désynchronisée inverse la compression initiale ; cependant, en même temps, il amplifie le petit mouvement provoqué par le signal de test. Lorsque cette étape est terminée, l'incertitude dans le mouvement des ions revient à sa valeur d'origine, mais le mouvement de va-et-vient de l'ion est plus important que si le signal de test avait été appliqué sans aucune des étapes de compression.

Pour obtenir les résultats, un champ magnétique oscillant est appliqué pour cartographier ou coder le mouvement de l'ion sur son état de "spin" électronique, qui est ensuite mesuré en braquant un laser sur l'ion et en observant s'il est fluorescent.

L'utilisation d'un signal de test permet aux chercheurs du NIST de mesurer l'amplification fournie par leur technique. Dans une application de détection réelle, le signal d'essai serait remplacé par le signal réel à amplifier et à mesurer.

La méthode NIST peut amplifier et mesurer rapidement des mouvements ioniques de seulement 50 picomètres (billions de mètre), ce qui représente environ un dixième de la taille du plus petit atome (hydrogène) et environ un centième de la taille des fluctuations quantiques non comprimées. Des mouvements encore plus petits peuvent être mesurés en répétant l'expérience plusieurs fois et en faisant la moyenne des résultats. La technique d'amplification basée sur la compression permet de détecter des mouvements d'une taille donnée avec 53 fois moins de mesures que ce qui serait autrement nécessaire.

La compression a déjà été réalisée dans une variété de systèmes physiques, y compris les ions, mais le résultat du NIST représente l'une des plus grandes améliorations de détection basées sur la compression jamais rapportées.

La nouvelle méthode de compression du NIST peut augmenter la sensibilité de mesure dans les capteurs quantiques et pourrait être utilisée pour créer plus rapidement un enchevêtrement, qui relie les propriétés des particules quantiques, accélérant ainsi les opérations de simulation quantique et de calcul quantique. Les méthodes peuvent également être utilisées pour générer des états de mouvement exotiques. La méthode d'amplification est applicable à de nombreux autres objets mécaniques vibrants et à d'autres particules chargées telles que les électrons.