Mesurer un système quantique le fait changer, l'un des aspects étranges mais fondamentaux de la mécanique quantique. Des chercheurs de l'Université de Stockholm ont maintenant pu démontrer comment ce changement se produit. Les résultats sont publiés dans la revue scientifique Lettres d'examen physique .

La physique quantique décrit le monde intérieur des atomes individuels, un monde très différent de notre expérience quotidienne. L'un des nombreux aspects étranges mais fondamentaux de la mécanique quantique est le rôle de l'observateur :mesurer l'état d'un système quantique le fait changer. Malgré l'importance du processus de mesure dans la théorie, il contient encore des questions sans réponse :un état quantique s'effondre-t-il instantanément lors d'une mesure ? Si non, combien de temps prend le processus de mesure et quel est l'état quantique du système à chaque étape intermédiaire ?

Une collaboration de chercheurs suédois, L'Allemagne et l'Espagne ont répondu à ces questions en utilisant un seul atome, un ion strontium piégé dans un champ électrique. La mesure sur l'ion ne dure qu'un millionième de seconde. En produisant un "film" composé d'images prises à différents moments de la mesure, ils ont montré que le changement d'état se produit progressivement sous l'influence de la mesure.

Les atomes suivent les lois de la mécanique quantique qui contredisent souvent nos attentes normales. L'état quantique interne d'un atome est formé par l'état des électrons circulant autour du noyau atomique. L'électron peut tourner autour du noyau sur une orbite proche ou plus éloignée. Mécanique quantique, cependant, permet également des états dits de superposition, où l'électron occupe les deux orbites à la fois, mais chaque orbite seulement avec une certaine probabilité.

"Chaque fois que nous mesurons l'orbite de l'électron, la réponse de la mesure sera que l'électron était soit sur une orbite inférieure, soit sur une orbite supérieure, jamais quelque chose entre les deux. Cela est vrai même lorsque l'état quantique initial était une superposition des deux possibilités. La mesure oblige en quelque sorte l'électron à décider dans lequel des deux états il se trouve, " dit Fabian Pokorny, chercheur au Département de physique, Université de Stockholm.

Le "film" affiche l'évolution au cours du processus de mesure. Les images individuelles montrent des données de tomographie où la hauteur des barres révèle le degré de superposition encore préservé. Pendant la mesure, certaines des superpositions sont perdues - et cette perte se produit progressivement - tandis que d'autres sont conservées comme elles devraient l'être pour une mesure quantique idéale.

"Ces découvertes jettent un nouvel éclairage sur le fonctionnement interne de la nature et sont cohérentes avec les prédictions de la physique quantique moderne, " dit Markus Hennrich, chef de groupe de l'équipe à Stockholm.

Ces résultats sont également importants au-delà de la théorie quantique fondamentale. La mesure quantique est une partie essentielle des ordinateurs quantiques. Le groupe de l'université de Stockholm travaille sur des ordinateurs à base d'ions piégés, où les mesures sont utilisées pour lire le résultat à la fin d'un calcul quantique.