L'univers, vu à travers le prisme de la mécanique quantique, est un bruyant, espace crépitant où les particules clignotent constamment dans et hors de l'existence, créant un fond de bruit quantique dont les effets sont normalement beaucoup trop subtils pour être détectés dans les objets de tous les jours.

Maintenant pour la première fois, une équipe dirigée par des chercheurs du laboratoire MIT LIGO a mesuré les effets des fluctuations quantiques sur des objets à l'échelle humaine. Dans un article publié en La nature , les chercheurs rapportent avoir observé que les fluctuations quantiques, aussi petits soient-ils, peut néanmoins " donner un coup de pied " à un objet aussi gros que les miroirs de 40 kilogrammes du Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) de la National Science Foundation, les faisant bouger d'un tout petit degré, que l'équipe a pu mesurer.

Il s'avère que le bruit quantique dans les détecteurs de LIGO est suffisant pour déplacer les grands miroirs de 10 ^-20 mètres - un déplacement qui a été prédit par la mécanique quantique pour un objet de cette taille, mais cela n'avait jamais été mesuré auparavant.

"Un atome d'hydrogène vaut 10 ^-dix mètres, donc ce déplacement des miroirs est à un atome d'hydrogène ce qu'un atome d'hydrogène est à nous - et nous avons mesuré cela, " dit Lee McCuller, chercheur à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT.

Les chercheurs ont utilisé un instrument spécial qu'ils ont conçu, appelé un presse-agrumes quantique, pour "manipuler le bruit quantique du détecteur et réduire ses coups de pied aux miroirs, d'une manière qui pourrait à terme améliorer la sensibilité de LIGO dans la détection des ondes gravitationnelles, " explique Haocun Yu, un étudiant diplômé en physique au MIT.

"Ce qui est spécial dans cette expérience, c'est que nous avons vu des effets quantiques sur quelque chose d'aussi gros qu'un humain, " dit Nergis Mavalvala, le professeur de marbre et directeur associé du département de physique au MIT. "Nous aussi, chaque nanoseconde de notre existence, sont bousculés, secoué par ces fluctuations quantiques. C'est juste que la nervosité de notre existence, notre énergie thermique, est trop grande pour que ces fluctuations du vide quantique affectent notre mouvement de manière mesurable. Avec les miroirs LIGO, nous avons fait tout ce travail pour les isoler du mouvement thermique et d'autres forces, de sorte qu'ils sont maintenant encore assez pour être secoués par les fluctuations quantiques et ce pop-corn effrayant de l'univers."

Yu, Mavalvala, et McCuller sont co-auteurs du nouvel article, avec l'étudiante diplômée Maggie Tse et la chercheuse principale Lisa Barsotti au MIT, avec d'autres membres de la collaboration scientifique LIGO.

Un coup de pied quantique

LIGO est conçu pour détecter les ondes gravitationnelles arrivant sur Terre à partir de sources cataclysmiques situées à des millions voire des milliards d'années-lumière. Il comprend deux détecteurs jumeaux, un à Hanford, Washington, et l'autre à Livingston, Louisiane. Chaque détecteur est un interféromètre en L composé de deux tunnels de 4 kilomètres de long, au bout duquel pend un miroir de 40 kilogrammes.

Pour détecter une onde gravitationnelle, un laser situé à l'entrée de l'interféromètre LIGO envoie un faisceau lumineux dans chaque tunnel du détecteur, où il se reflète sur le miroir au fond, pour revenir à son point de départ. En l'absence d'onde gravitationnelle, les lasers devraient revenir au même moment exact. Si une onde gravitationnelle le traverse, cela perturberait brièvement la position des rétroviseurs, et donc les temps d'arrivée des lasers.

Beaucoup a été fait pour protéger les interféromètres du bruit extérieur, afin que les détecteurs aient une meilleure chance de détecter les perturbations extrêmement subtiles créées par une onde gravitationnelle entrante.

Mavalvala et ses collègues se sont demandé si LIGO pouvait également être suffisamment sensible pour que l'instrument puisse ressentir des effets encore plus subtils, telles que les fluctuations quantiques au sein de l'interféromètre lui-même, et précisément, bruit quantique généré parmi les photons du laser de LIGO.

"Cette fluctuation quantique de la lumière laser peut provoquer une pression de rayonnement qui peut réellement frapper un objet, " ajoute McCuller. " L'objet dans notre cas est un miroir de 40 kilogrammes, qui est un milliard de fois plus lourd que les objets à l'échelle nanométrique dans lesquels d'autres groupes ont mesuré cet effet quantique."

Presse-bruit

Pour voir s'ils pouvaient mesurer le mouvement des miroirs massifs de LIGO en réponse à de minuscules fluctuations quantiques, l'équipe a utilisé un instrument qu'ils ont récemment construit en complément des interféromètres, qu'ils appellent un presse-agrumes quantique. Avec le presse-agrumes, les scientifiques peuvent régler les propriétés du bruit quantique dans l'interféromètre de LIGO.

L'équipe a d'abord mesuré le bruit total dans les interféromètres de LIGO, y compris le bruit quantique de fond, ainsi que le bruit "classique", ou des perturbations générées par la normale, vibrations quotidiennes. Ils ont ensuite allumé le presse-agrumes et l'ont mis dans un état spécifique qui a spécifiquement modifié les propriétés du bruit quantique. Ils ont ensuite pu soustraire le bruit classique lors de l'analyse des données, pour isoler le bruit purement quantique dans l'interféromètre. Comme le détecteur surveille en permanence le déplacement des miroirs à tout bruit entrant, les chercheurs ont pu observer que le bruit quantique à lui seul suffisait à déplacer les miroirs, par 10 ^-20 mètres.

Mavalvala note que la mesure correspond exactement à ce que prédit la mécanique quantique. "Mais c'est quand même remarquable de le voir se confirmer dans quelque chose d'aussi grand, " elle dit.

Aller plus loin, l'équipe s'est demandé s'ils pouvaient manipuler le presseur quantique pour réduire le bruit quantique dans l'interféromètre. Le presse-agrumes est conçu de telle sorte que lorsqu'il est réglé sur un état particulier, il « comprime » certaines propriétés du bruit quantique, dans ce cas, phase et amplitude. Les fluctuations de phase peuvent être considérées comme résultant de l'incertitude quantique du temps de trajet de la lumière, tandis que les fluctuations d'amplitude donnent des coups de pied quantiques à la surface du miroir.

"Nous pensons que le bruit quantique est distribué le long de différents axes, et nous essayons de réduire le bruit dans certains aspects spécifiques, " dit Yu.

Lorsque le presse-agrumes est réglé sur un certain état, il peut par exemple serrer, ou réduire l'incertitude en phase, tout en s'éloignant, ou augmenter l'incertitude d'amplitude. La compression du bruit quantique à différents angles produirait différents rapports de bruit de phase et d'amplitude dans les détecteurs de LIGO.

Le groupe s'est demandé si changer l'angle de cette compression créerait des corrélations quantiques entre les lasers de LIGO et ses miroirs, d'une manière qu'ils pourraient également mesurer. Tester leur idée, l'équipe a réglé le presse-agrumes à 12 angles différents et a constaté que, En effet, ils pourraient mesurer les corrélations entre les différentes distributions du bruit quantique dans le laser et le mouvement des miroirs.

Grâce à ces corrélations quantiques, l'équipe a pu presser le bruit quantique, et le déplacement du miroir résultant, jusqu'à 70 pour cent de son niveau normal. Cette mesure, incidemment, est en dessous de ce qu'on appelle la limite quantique standard, lequel, en mécanique quantique, indique qu'un nombre donné de photons, ou, dans le cas de LIGO, un certain niveau de puissance laser, devrait générer un certain minimum de fluctuations quantiques qui généreraient un "coup de pied" spécifique à tout objet sur leur chemin.

En utilisant la lumière comprimée pour réduire le bruit quantique dans la mesure LIGO, l'équipe a fait une mesure plus précise que la limite quantique standard, réduire ce bruit d'une manière qui aidera finalement LIGO à détecter plus faible, sources d'ondes gravitationnelles plus éloignées.