Depuis des siècles, les humains ont élargi leur compréhension du monde grâce à des mesures de plus en plus précises de la lumière et de la matière. Aujourd'hui, les capteurs quantiques permettent d'obtenir des résultats extrêmement précis. Un exemple en est le développement des horloges atomiques, qui ne devraient ni gagner ni perdre plus d'une seconde en trente milliards d'années. Les ondes gravitationnelles ont également été détectées via des capteurs quantiques, dans ce cas en utilisant des interféromètres optiques.

Les capteurs quantiques peuvent atteindre des sensibilités impossibles selon les lois de la physique conventionnelle qui régissent la vie quotidienne. Ces niveaux de sensibilité ne peuvent être atteints que si l'on pénètre dans le monde de la mécanique quantique avec ses propriétés fascinantes, telles que le phénomène de superposition, où les objets peuvent être à deux endroits à la fois et où un atome peut avoir deux niveaux d'énergie différents en même temps.

La génération et le contrôle de tels états non classiques sont extrêmement complexes. En raison du haut niveau de sensibilité requis, ces mesures sont sujettes à des interférences externes. Par ailleurs, les états non classiques doivent être adaptés à un paramètre de mesure spécifique. "Malheureusement, cela se traduit souvent par une imprécision accrue concernant d'autres paramètres de mesure pertinents", dit Fabian Wolf, décrivant le défi. Ce concept est étroitement lié au principe d'incertitude de Heisenberg. Wolf fait partie d'une équipe de chercheurs de l'Université Leibniz de Hanovre, Physikalisch-Technische Bundesanstalt à Brunswick, et l'Institut national d'optique de Florence. L'équipe a introduit une méthode basée sur un état non classique adapté à deux paramètres de mesure à la fois.

L'expérience peut être visualisée comme la version mécanique quantique d'un simple pendule. Dans ce cas, les paramètres de mesure adaptés sont le déplacement maximum du pendule (amplitude) et le nombre d'oscillations par seconde (fréquence). Le pendule comprend un seul ion magnésium noyé dans un "piège à ions". Via des interactions de lumière laser, les chercheurs ont pu refroidir l'ion magnésium à l'état fondamental d'un système de mécanique quantique, l'état le plus froid possible. De là, ils ont généré un "état de Fock" du mouvement et ont fait osciller le pendule à un seul atome en utilisant une force externe. Cela leur a permis de mesurer l'amplitude et la fréquence avec une sensibilité inégalée par un pendule conventionnel. Contrairement aux expériences précédentes, ce fut le cas pour les deux paramètres de mesure sans avoir à ajuster l'état non classique.

Grâce à cette nouvelle approche, l'équipe a réduit le temps de mesure de moitié tandis que la résolution est restée constante ou a doublé la résolution avec un temps de mesure constant. La haute résolution est particulièrement importante pour les techniques de spectroscopie basées sur le changement d'état de mouvement. Dans ce cas particulier, les chercheurs ont l'intention d'analyser des ions moléculaires individuels par irradiation laser afin de stimuler le mouvement moléculaire. La nouvelle procédure leur permettra d'analyser l'état de la molécule avant qu'elle ne soit perturbée par une irradiation laser trop intense. "Par exemple, des mesures de précision des molécules pourraient révéler des interactions entre matière conventionnelle et matière noire, ce qui contribuerait grandement à résoudre l'un des plus grands mystères de la physique contemporaine", dit Fabian Wolf. La notion de mesure, que les chercheurs ont démontré pour la première fois, pourrait également améliorer la résolution des interféromètres optiques tels que les détecteurs d'ondes gravitationnelles, offrant ainsi des informations plus approfondies sur l'aube de l'univers.