Une équipe de chercheurs de l'Institut Niels Bohr, Université de Copenhague, ont réussi à enchevêtrer deux objets quantiques très différents. Le résultat a plusieurs applications potentielles dans la détection ultra-précise et la communication quantique et est maintenant publié dans Physique de la nature .

L'intrication est la base de la communication quantique et de la détection quantique. Il peut être compris comme un lien quantique entre deux objets qui les fait se comporter comme un seul objet quantique.

Les chercheurs ont réussi à créer un enchevêtrement entre un oscillateur mécanique - une membrane diélectrique vibrante - et un nuage d'atomes, chacun agissant comme un petit aimant, ou ce que les physiciens appellent « spin ». Ces entités très différentes ont pu s'entremêler en les connectant à des photons, particules de lumière. Les atomes peuvent être utiles dans le traitement de l'information quantique et la membrane - ou les systèmes quantiques mécaniques en général - peut être utile pour le stockage de l'information quantique.

Professeur Eugène Polzik, qui a mené l'effort, déclare que :« Avec cette nouvelle technique, nous sommes en passe de repousser les limites des possibilités d'intrication. Plus les objets sont gros, plus ils sont éloignés, plus ils sont disparates, l'intrication la plus intéressante devient à la fois fondamentale et appliquée. Avec le nouveau résultat, l'enchevêtrement entre des objets très différents est devenu possible."

Pour comprendre l'enchevêtrement, s'en tenir à l'exemple des spins enchevêtrés avec une membrane mécanique, imaginez la position de la membrane vibrante et l'inclinaison du spin total de tous les atomes, semblable à une toupie. Si les deux objets se déplacent de manière aléatoire, mais s'il se déplace à droite ou à gauche en même temps, c'est ce qu'on appelle une corrélation. Un tel mouvement corrélé est normalement limité à ce qu'on appelle le mouvement du point zéro - le résidu, mouvement non corrélé de toute la matière qui se produit même au zéro absolu de température. Cela limite les connaissances sur l'un des systèmes.

Dans leur expérience, L'équipe d'Eugene Polzik a enchevêtré les systèmes, ce qui signifie qu'ils se déplacent de manière corrélée avec une précision meilleure que le mouvement du point zéro. "La mécanique quantique est comme une épée à double tranchant - elle nous donne de merveilleuses nouvelles technologies, mais limite aussi la précision des mesures qui semblerait simple d'un point de vue classique, " dit un membre de l'équipe, Michał Parniak. Les systèmes intriqués peuvent rester parfaitement corrélés même s'ils sont éloignés les uns des autres, une caractéristique qui a intrigué les chercheurs depuis la naissance même de la mécanique quantique il y a plus de 100 ans.

doctorat L'étudiant Christoffer Østfeldt explique plus loin :« Imaginez les différentes manières de réaliser les états quantiques comme une sorte de zoo de différentes réalités ou situations avec des qualités et des potentiels très différents. Si, par exemple, nous souhaitons construire un appareil quelconque, afin d'exploiter les différentes qualités qu'ils possèdent tous et dans lesquels ils remplissent des fonctions différentes et résolvent une tâche différente, il faudra inventer une langue qu'ils soient tous capables de parler. Les états quantiques doivent pouvoir communiquer, pour nous d'utiliser tout le potentiel de l'appareil. C'est ce que cet enchevêtrement entre deux éléments du zoo a montré que nous sommes désormais capables de le faire."

Un exemple spécifique de perspectives d'enchevêtrement de différents objets quantiques est la détection quantique. Différents objets possèdent une sensibilité à différentes forces externes. Par exemple, les oscillateurs mécaniques sont utilisés comme accéléromètres et capteurs de force, alors que les spins atomiques sont utilisés dans les magnétomètres. Lorsqu'un seul des deux objets intriqués différents est soumis à une perturbation externe, l'enchevêtrement permet de le mesurer avec une sensibilité non limitée par les fluctuations du point zéro de l'objet.

Il existe une possibilité assez immédiate d'application de la technique de détection à la fois pour les petits et les gros oscillateurs. L'une des plus grandes actualités scientifiques de ces dernières années a été la première détection d'ondes de gravité, réalisé par le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO). LIGO détecte et mesure les ondes extrêmement faibles causées par des événements astronomiques dans l'espace lointain, telles que les fusions de trous noirs ou les fusions d'étoiles à neutrons. Les ondes peuvent être observées car elles secouent les miroirs de l'interféromètre. Mais même la sensibilité de LIGO est limitée par la mécanique quantique car les miroirs de l'interféromètre laser sont également secoués par les fluctuations du point zéro. Ces fluctuations entraînent un bruit empêchant l'observation du petit mouvement des miroirs causé par les ondes gravitationnelles.

Il est, en principe, possible de générer l'intrication des miroirs LIGO avec un nuage atomique et ainsi d'annuler le bruit de point zéro des miroirs de la même manière que pour le bruit de membrane dans la présente expérience. La corrélation parfaite entre les miroirs et les spins atomiques due à leur intrication peut être utilisée dans de tels capteurs pour effacer virtuellement l'incertitude. Cela nécessite simplement de prendre des informations d'un système et d'appliquer les connaissances à l'autre. De telle manière, on pourrait en apprendre à la fois sur la position et l'élan des miroirs de LIGO, entrer dans un sous-espace dit sans mécanique quantique et faire un pas vers une précision illimitée des mesures de mouvement. Une expérience modèle démontrant ce principe est en cours au laboratoire d'Eugene Polzik.