Interférence des superpositions passant par A et B :un seul détecteur détectera un signal. Crédit :Université de Leyde
Le chat le plus célèbre de la science est le chat de Schrödinger, le mammifère mécanique quantique, qui peut exister en superposition, un état aussi vivant que mort. Au moment où vous le regardez, l'une des deux options est choisie. Les physiciens de l'Université de Leiden ont simulé une expérience pour saisir ce moment mystérieux de choix en flagrant délit.
En mécanique quantique, la physique des plus petits morceaux de matière, ce moment de choix s'appelle l'effondrement de la vague. Dans la revue Statut de physique Solidi B , Tom van der Reep, Tjerk Oosterkamp et d'autres physiciens de l'Université de Leiden et de l'Université de Genève décrivent comment ils espèrent saisir ce moment mystérieux en utilisant une configuration de mécanique quantique utilisant des photons de micro-ondes dans le rôle du chat mort et vivant.
"Les superpositions sont assez courantes en mécanique quantique, " dit Oosterkamp, 'mais dans le monde macroscopique dans lequel nous vivons, vous ne les voyez jamais." Un chat est soit vivant, soit mort, pas les deux. Selon l'interprétation largement acceptée de Copenhague de la mécanique quantique, c'est parce que la superposition disparaît dès qu'on fait une mesure sur le photon (ou le chat).
Effondrement de la fonction d'onde
Oosterkamp ajoute :« Mais nulle part dans cette interprétation de Copenhague, il est expliqué comment cela fonctionnerait. Qu'est-ce qu'une « mesure » exactement ? Tout appareil de mesure sera constitué d'atomes obéissant aux lois de la mécanique quantique, alors, qu'est-ce qui distingue le processus de mesure ? Est-ce la taille de l'appareil de mesure ? Sa masse ? Autre chose? Personne ne sait. Il existe même des interprétations dans lesquelles une mesure n'a lieu que lorsqu'elle est effectuée par un observateur conscient, ou dans lequel l'Univers se diviserait en plusieurs variantes.
Les physiciens de Leyde ont décidé d'ouvrir la chasse à l'effondrement du point de vue d'un amplificateur aussi simple que possible. Ils commencent avec des photons de micro-ondes, une forme de lumière, en superposition. Dans leur configuration, les photons empruntent une route A ainsi qu'une route B.
Cette superposition peut être détectée en fusionnant à nouveau les routes A et B. Les particules vont interférer avec elles-mêmes, ce qui signifie qu'ils ne seront détectés que dans l'une des deux directions de sortie. Quand il n'y a pas de superposition, et donc pas d'interférence, les particules sortiront dans les deux sens. Jusque là, c'est le tarif standard de la mécanique quantique, prouvé dans de nombreuses expériences.
Basses températures
L'étape suivante consiste à introduire une mesure. "Dans chaque mesure d'un système de mécanique quantique, il y a un élément d'amplification, " dit Oosterkamp, 'puisque vous traduisez un petit signal en un plus grand. Alors peut-être que cette étape d'amplification constitue la cause de l'effondrement de la fonction d'onde."
Aucune interférence :les deux détecteurs détectent la lumière. Crédit :Université de Leyde
Les physiciens placent donc un amplificateur dit paramétrique dans les voies A et B de leur installation. C'est un type d'amplificateur qui peut être bien décrit en mécanique quantique, qui repose sur un grand nombre de jonctions supraconductrices Josephson.
Pour ça, une température ultra-froide de 50 millikelvin est nécessaire, un vingtième de degré Celsius au-dessus du zéro absolu de température de -273, 15 degrés Celsius. Des températures aussi basses sont également nécessaires pour garantir que la disparition des interférences ne soit pas uniquement causée par la chaleur dans l'installation.
La main rouge
L'idée est d'augmenter lentement l'amplification, et voir ce qui arrive à l'interférence. Dans leur article, les physiciens décrivent comment l'effondrement de la fonction d'onde provoquerait une « diminution mesurable » de l'interférence. La configuration est donc un moyen d'attraper l'effondrement en flagrant délit.
Que se passera-t-il lorsque les photons seront amplifiés ? La fonction d'onde va-t-elle s'effondrer ? Crédit :Université de Leyde
« Si nous y parvenons, ce serait génial, " dit Oosterkamp. " Bien sûr, alors vous voudriez ajuster les paramètres pour voir quels changements influenceront le moment de l'effondrement. Mais dans cette pièce, nous montrons que cela peut être fait."
Ordinateurs quantiques
Le papier était un exercice de calcul, l'installation est maintenant en cours de construction. Le groupe d'Oosterkamp a les bonnes machines de refroidissement pour exécuter les expériences, mais ce sera un sacré boulot de développer les amplificateurs paramétriques nécessaires qui associent une forte amplification à une très faible production de chaleur.
L'expérience est une coopération avec son collègue Alessandro Bruno, qui a créé la société QuantWare, qui produit ces amplificateurs pour les futurs ordinateurs quantiques. "Avec un peu de chance, les tests montreront que les amplificateurs restent suffisamment froids, " dit Oosterkamp. " Alors, nous pouvons vraiment espérer réaliser ces expériences."
