Illustration artistique d'un nuage d'atomes avec des paires de particules enchevêtrées entre elles, représenté par les lignes jaune-bleu. Crédit image :© ICFO Crédit :ICFO
L'intrication quantique est un processus par lequel des objets microscopiques comme les électrons ou les atomes perdent leur individualité pour devenir mieux coordonnés les uns avec les autres. L'intrication est au cœur des technologies quantiques qui promettent de grandes avancées en informatique, communication et détection, par exemple, détecter les ondes gravitationnelles.
Les États enchevêtrés sont réputés pour leur fragilité :dans la plupart des cas, même une petite perturbation dénouera l'enchevêtrement. Pour cette raison, les technologies quantiques actuelles s'efforcent d'isoler les systèmes microscopiques avec lesquels elles fonctionnent, et fonctionnent généralement à des températures proches du zéro absolu. L'équipe ICFO, en revanche, chauffé une collection d'atomes à 450 Kelvin dans une expérience récente, des millions de fois plus chaud que la plupart des atomes utilisés pour la technologie quantique. De plus, les atomes individuels étaient tout sauf isolés; ils se sont heurtés toutes les quelques microsecondes, et chaque collision fait tourner leurs électrons dans des directions aléatoires.
Les chercheurs ont utilisé un laser pour surveiller l'aimantation de ce chaud, gaz chaotique. L'aimantation est causée par la rotation des électrons dans les atomes, et fournit un moyen d'étudier l'effet des collisions et de détecter l'enchevêtrement. Ce que les chercheurs ont observé, c'est un nombre énorme d'atomes intriqués, environ 100 fois plus que jamais observé auparavant. Ils ont également vu que l'intrication n'est pas locale - elle implique des atomes qui ne sont pas proches les uns des autres. Entre deux atomes intriqués, il y a des milliers d'autres atomes, dont beaucoup sont enchevêtrés avec d'autres atomes encore, dans un géant, état enchevêtré chaud et désordonné.
Ce qu'ils ont vu aussi, comme Jia Kong, premier auteur de l'étude, rappelle, "c'est que si on arrête la mesure, l'intrication persiste pendant environ 1 milliseconde, ce qui signifie que 1000 fois par seconde, un nouveau lot de 15 000 milliards d'atomes est en train d'être intriqué. Et vous devez penser que 1 ms est un temps très long pour les atomes, assez longtemps pour qu'environ 50 collisions aléatoires se produisent. Cela montre clairement que l'intrication n'est pas détruite par ces événements aléatoires. C'est peut-être le résultat le plus surprenant du travail."
L'observation de cet état intriqué chaud et désordonné ouvre la voie à une détection de champ magnétique ultra-sensible. Par exemple, en magnétoencéphalographie (imagerie magnétique cérébrale), une nouvelle génération de capteurs utilise ces mêmes chauds, gaz atomiques à haute densité pour détecter les champs magnétiques produits par l'activité cérébrale. Les nouveaux résultats montrent que l'enchevêtrement peut améliorer la sensibilité de cette technique, qui a des applications dans la science fondamentale du cerveau et la neurochirurgie.
Le professeur ICREA de l'ICFO Morgan Mitchell déclare :"Ce résultat est surprenant, un vrai départ de ce que tout le monde attend de l'enchevêtrement. Nous espérons que ce type d'état intriqué géant conduira à de meilleures performances des capteurs dans des applications allant de l'imagerie cérébrale aux voitures autonomes en passant par la recherche de matière noire."
Image de la cellule de verre où le rubidium métallique est mélangé à de l'azote gazeux et chauffé jusqu'à 450 degrés Kelvin. A cette température élevée, le métal se vaporise, créant des atomes de rubidium libres qui diffusent à l'intérieur de la cellule. Crédit image :© ICFO Crédit :ICFO
Un singulet Spin et QND
Un singulet de spin est une forme d'intrication dans laquelle les spins de plusieurs particules - leur moment angulaire intrinsèque - totalisent 0, ce qui signifie que le système a un moment angulaire total nul. Dans cette étude, les chercheurs ont appliqué la mesure de non-démolition quantique (QND) pour extraire les informations du spin de milliers de milliards d'atomes.
La technique fait passer des photons laser avec une énergie spécifique à travers le gaz des atomes. Les photons avec cette énergie précise n'excitent pas les atomes, mais ils sont eux-mêmes affectés par la rencontre. Les spins des atomes agissent comme des aimants pour faire tourner la polarisation de la lumière. En mesurant à quel point la polarisation des photons a changé après avoir traversé le nuage, les chercheurs sont capables de déterminer le spin total du gaz des atomes.
Le régime SERF
Les magnétomètres actuels fonctionnent dans un régime qui s'appelle SERF, loin des températures proches du zéro absolu que les chercheurs utilisent généralement pour étudier les atomes intriqués. Dans ce régime, tout atome subit de nombreuses collisions aléatoires avec d'autres atomes voisins, faisant des collisions l'effet le plus important sur l'état de l'atome.
En outre, car ils sont en milieu chaud plutôt qu'ultra froid, les collisions randomisent rapidement le spin des électrons dans un atome donné. L'expérience montre, étonnamment, que ce genre de perturbation ne rompt pas les états intriqués; il ne fait que passer l'intrication d'un atome à un autre.
