Les scientifiques ont découvert qu'une propriété physique appelée « négativité quantique » peut être utilisée pour prendre des mesures plus précises de tout, des distances moléculaires aux ondes gravitationnelles.

Les chercheurs, de l'Université de Cambridge, Harvard et MIT, ont montré que les particules quantiques peuvent transporter une quantité illimitée d'informations sur les choses avec lesquelles elles ont interagi. Les résultats, rapporté dans le journal Communication Nature , pourrait permettre des mesures beaucoup plus précises et alimenter de nouvelles technologies, tels que les microscopes super précis et les ordinateurs quantiques.

La métrologie est la science des estimations et des mesures. Si tu t'es pesé ce matin, vous avez fait de la métrologie. De la même manière que l'informatique quantique devrait révolutionner la façon dont les calculs complexes sont effectués, métrologie quantique, en utilisant le comportement étrange des particules subatomiques, peut révolutionner la façon dont nous mesurons les choses.

Nous sommes habitués à traiter des probabilités qui vont de 0% (n'arrive jamais) à 100% (arrive toujours). Pour expliquer les résultats du monde quantique cependant, le concept de probabilité doit être élargi pour inclure ce qu'on appelle une quasi-probabilité, qui peut être négatif. Cette quasi-probabilité permet d'expliquer des concepts quantiques tels que « l'action effrayante à distance » d'Einstein et la dualité onde-particule dans un langage mathématique intuitif. Par exemple, la probabilité qu'un atome se trouve à une certaine position et se déplace à une vitesse spécifique peut être un nombre négatif, comme -5%.

On dit qu'une expérience dont l'explication nécessite des probabilités négatives possède une « négativité quantique ». Les scientifiques ont maintenant montré que cette négativité quantique peut aider à prendre des mesures plus précises.

Toute métrologie a besoin de sondes, qui peuvent être de simples balances ou thermomètres. En métrologie de pointe, cependant, les sondes sont des particules quantiques, qui peut être contrôlé au niveau subatomique. Ces particules quantiques sont conçues pour interagir avec la chose mesurée. Ensuite, les particules sont analysées par un appareil de détection.

En théorie, plus il y a de particules de sonde, plus le dispositif de détection disposera d'informations. Mais en pratique, il y a un plafond sur la vitesse à laquelle les dispositifs de détection peuvent analyser les particules. Il en va de même dans la vie de tous les jours :mettre des lunettes de soleil permet de filtrer l'excès de lumière et d'améliorer la vision. Mais il y a une limite à la quantité de filtrage qui peut améliorer notre vision :avoir des lunettes de soleil trop sombres est préjudiciable.

"Nous avons adapté des outils de la théorie de l'information standard aux quasi-probabilités et montré que le filtrage des particules quantiques peut condenser l'information d'un million de particules en une seule, " a déclaré l'auteur principal, le Dr David Arvidsson-Shukur du laboratoire Cavendish de Cambridge et Sarah Woodhead Fellow du Girton College. " Cela signifie que les dispositifs de détection peuvent fonctionner à leur taux d'afflux idéal tout en recevant des informations correspondant à des taux beaucoup plus élevés. Ceci est interdit selon la théorie des probabilités normales, mais la négativité quantique le rend possible."

Un groupe expérimental de l'Université de Toronto a déjà commencé à développer une technologie pour utiliser ces nouveaux résultats théoriques. Leur objectif est de créer un dispositif quantique qui utilise la lumière laser à photon unique pour fournir des mesures incroyablement précises des composants optiques. De telles mesures sont cruciales pour créer de nouvelles technologies avancées, comme les ordinateurs quantiques photoniques.

"Notre découverte ouvre de nouvelles voies passionnantes pour utiliser les phénomènes quantiques fondamentaux dans des applications du monde réel, " a déclaré Arvidsson-Shukur.

La métrologie quantique peut améliorer les mesures de choses, y compris les distances, angles, températures et champs magnétiques. Ces mesures plus précises peuvent conduire à des technologies meilleures et plus rapides, mais aussi de meilleures ressources pour sonder la physique fondamentale et améliorer notre compréhension de l'univers. Par exemple, de nombreuses technologies reposent sur l'alignement précis des composants ou la capacité de détecter de petits changements dans les champs électriques ou magnétiques. Une plus grande précision dans l'alignement des miroirs peut permettre des microscopes ou des télescopes plus précis, et de meilleures méthodes de mesure du champ magnétique terrestre peuvent conduire à de meilleurs outils de navigation.

La métrologie quantique est actuellement utilisée pour améliorer la précision de la détection des ondes gravitationnelles dans l'observatoire LIGO Hanford, lauréat du prix Nobel. Mais pour la majorité des applications, la métrologie quantique a été trop chère et irréalisable avec la technologie actuelle. Les résultats récemment publiés offrent un moyen moins coûteux de faire de la métrologie quantique.

"Les scientifiques disent souvent que 'il n'y a pas de repas gratuit', ce qui signifie que vous ne pouvez rien gagner si vous n'êtes pas disposé à payer le prix de calcul, " a déclaré le co-auteur Aleksander Lasek, un doctorat candidat au Laboratoire Cavendish. "Toutefois, en métrologie quantique, ce prix peut être rendu arbitrairement bas. C'est très contre-intuitif, et vraiment incroyable !"

Dr Nicole Yunger Halpern, co-auteur et chercheur postdoctoral ITAMP à l'Université Harvard, a déclaré :« La multiplication quotidienne fait la navette :six fois sept égale sept fois six. La théorie quantique implique une multiplication qui ne commute pas. L'absence de commutation nous permet d'améliorer la métrologie en utilisant la physique quantique.

"La physique quantique améliore la métrologie, calcul, cryptographie, et plus; mais prouver rigoureusement qu'il le fait est difficile. Nous avons montré que la physique quantique nous permet d'extraire plus d'informations des expériences qu'avec la physique classique seule. La clé de la preuve est une version quantique des probabilités, des objets mathématiques qui ressemblent à des probabilités mais peuvent assumer des valeurs négatives et non réelles. »