La puce atomique de la TU Wien. Crédit :Université de technologie de Vienne
Pile ou face? Si nous lançons deux pièces en l'air, le résultat d'un tirage au sort n'a rien à voir avec le résultat de l'autre. Les pièces sont des objets indépendants. Dans le monde de la physique quantique, les choses sont différentes :les particules quantiques peuvent être intriquées, auquel cas ils ne peuvent plus être considérés comme des objets individuels indépendants, ils ne peuvent être décrits que comme un système commun.
Pendant des années, il a été possible de produire des photons intriqués, des paires de particules lumineuses qui se déplacent dans des directions complètement différentes mais qui appartiennent toujours ensemble. Des résultats spectaculaires ont été obtenus, par exemple dans le domaine de la téléportation quantique ou de la cryptographie quantique. Maintenant, une nouvelle méthode a été développée à TU Wien (Vienne) pour produire des paires d'atomes intriqués - et pas seulement des atomes qui sont émis dans toutes les directions, mais des poutres bien définies. Ceci a été réalisé à l'aide de nuages d'atomes ultrafroids dans des pièges électromagnétiques.
Particules enchevêtrées
"L'intrication quantique est l'un des éléments essentiels de la physique quantique, " explique le professeur Jörg Schmiedmayer de l'Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. " Si des particules sont enchevêtrées les unes dans les autres, alors même si vous savez tout ce qu'il y a à savoir sur l'ensemble du système, vous ne pouvez toujours rien dire sur une particule spécifique. Poser des questions sur l'état d'une particule en particulier n'a aucun sens, seul l'état global de l'ensemble du système est défini."
Il existe différentes méthodes pour créer l'intrication quantique. Par exemple, des cristaux spéciaux peuvent être utilisés pour créer des paires de photons intriqués :un photon de haute énergie est converti par le cristal en deux photons de plus faible énergie, c'est ce qu'on appelle la « conversion descendante ». Cela permet de produire rapidement et facilement un grand nombre de paires de photons intriqués.
Enchevêtrement d'atomes, cependant, est beaucoup plus difficile. Des atomes individuels peuvent être enchevêtrés à l'aide d'opérations laser complexes, mais vous n'obtenez alors qu'une seule paire d'atomes. Des processus aléatoires peuvent également être utilisés pour créer une intrication quantique :si deux particules interagissent de manière appropriée, ils peuvent s'avérer emmêlés par la suite. Les molécules peuvent être brisées, créant des fragments enchevêtrés. Mais ces méthodes ne peuvent pas être contrôlées. "Dans ce cas, les particules se déplacent dans des directions aléatoires. Mais quand vous faites des expériences, vous voulez pouvoir déterminer exactement où se déplacent les atomes, " dit Jörg Schmiedmayer.
La puce atomique, contrôler précisément les atomes. Crédit :Université de technologie de Vienne
La paire jumelle
Des paires jumelles contrôlées pourraient désormais être produites à la TU Wien avec une nouvelle astuce :un nuage d'atomes ultrafroids est créé et maintenu en place par des forces électromagnétiques sur une minuscule puce. "Nous manipulons ces atomes pour qu'ils ne se retrouvent pas dans l'état le plus énergétique possible, mais dans un état d'énergie supérieure, " dit Schmiedmayer. De cet état excité, les atomes reviennent alors spontanément à l'état fondamental avec la plus faible énergie.
Cependant, le piège électromagnétique est construit de telle manière que ce retour à l'état fondamental est physiquement impossible pour un seul atome, ce qui violerait la conservation de la quantité de mouvement. Les atomes ne peuvent donc être transférés à l'état fondamental que par paires et s'envoler dans des directions opposées, de sorte que leur quantité de mouvement totale reste nulle. Cela crée des atomes jumeaux qui se déplacent exactement dans la direction spécifiée par la géométrie du piège électromagnétique sur la puce.
L'expérience de la double fente
Le piège se compose de deux allongés, guides d'ondes parallèles. La paire d'atomes jumeaux peut avoir été créée dans le guide d'onde gauche ou droit - ou, comme le permet la physique quantique, dans les deux simultanément. "C'est comme l'expérience bien connue de la double fente, où vous tirez une particule sur un mur avec deux fentes, " dit Jörg Schmiedmayer. " La particule peut traverser à la fois la fente gauche et droite, derrière lequel il s'immisce, et cela crée des modèles de vagues qui peuvent être mesurés."
Un regard sur la puce atomique dans la configuration expérimentale. Crédit :Université de technologie de Vienne
Le même principe peut être utilisé pour prouver que les atomes jumeaux sont en effet des particules intriquées :seulement si vous mesurez l'ensemble du système, c'est-à-dire les deux atomes en même temps, pouvez-vous détecter les superpositions ondulatoires typiques des phénomènes quantiques. Si, d'autre part, vous vous limitez à une seule particule, la superposition d'ondes disparaît complètement.
"Cela nous montre que dans ce cas, cela n'a aucun sens de regarder les particules individuellement, " explique Jörg Schmiedmayer. " Dans l'expérience de la double fente, les superpositions disparaissent dès que vous mesurez si la particule passe par la fente gauche ou droite. Dès que ces informations sont disponibles, la superposition quantique est détruite. C'est très similaire ici :si les atomes sont intriqués et que vous n'en mesurez qu'un, vous pouvez théoriquement toujours utiliser l'autre atome pour mesurer s'ils proviennent tous les deux de la partie gauche ou droite du piège. Par conséquent, les superpositions quantiques sont détruites."
Maintenant qu'il a été prouvé que les nuages d'atomes ultrafroids peuvent effectivement être utilisés pour produire de manière fiable des atomes jumeaux enchevêtrés de cette manière, d'autres expériences quantiques doivent être menées avec ces paires d'atomes, similaires à celles qui ont déjà été possibles avec des paires de photons.
