Un ballon de football n'est pas une particule quantique. Il existe des différences cruciales entre les choses que nous savons de la vie quotidienne et les petits objets quantiques. Les phénomènes quantiques sont généralement très fragiles. Pour les étudier, on n'utilise normalement qu'un petit nombre de particules, bien à l'abri de l'environnement, aux températures les plus basses possibles.

Grâce à une collaboration entre l'Université de Vienne, l'Académie autrichienne des sciences et la TU Wien, cependant, il est désormais possible de mesurer une sphère de verre chaude constituée d'environ un milliard d'atomes avec une précision sans précédent et de la contrôler au niveau quantique. Son mouvement a été délibérément ralenti jusqu'à ce qu'il assume l'état fondamental de l'énergie la plus faible possible. La méthode de mesure a presque atteint la limite fixée par le principe d'incertitude de Heisenberg – la physique ne permet tout simplement pas plus de précision que cela. Cela a été rendu possible en appliquant des méthodes spéciales de l'ingénierie de contrôle aux systèmes quantiques. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue scientifique La nature .

Une précision parfaite est impossible

La mesure influence l'objet mesuré - c'est l'un des principes les plus fondamentaux de la théorie quantique. « Werner Heisenberg a mis au point une expérience de pensée célèbre, le microscope dit Heisenberg », explique le physicien Lorenzo Magrini, le premier auteur de l'étude de l'Université de Vienne. "Si vous voulez mesurer très précisément la position d'un objet au microscope, vous devez utiliser la lumière avec la longueur d'onde la plus courte possible. Mais une courte longueur d'onde signifie une énergie plus élevée, le mouvement de la particule est donc plus fortement perturbé. » Vous ne pouvez tout simplement pas mesurer avec précision l'emplacement et l'état de mouvement d'une particule en même temps. Le produit de leurs incertitudes est toujours limité par la constante de Planck - c'est ce qu'on appelle principe d'incertitude de Heisenberg. il est possible de savoir jusqu'où on peut s'approcher de cette limite fixée par la nature.

L'équipe du professeur Markus Aspelmeyer de l'Université de Vienne étudie cela à l'aide d'une sphère de verre d'un diamètre inférieur à 200 nanomètres, composé d'environ un milliard de particules - très petites par rapport à nos normes quotidiennes, mais toujours très grand par rapport aux objets habituellement étudiés en physique quantique.

La sphère de verre peut être maintenue en place avec un faisceau laser. Les atomes de la sphère sont chauffés par le laser, et la température interne de la sphère s'élève à plusieurs centaines de degrés Celsius. Cela signifie que les atomes de la sphère de verre vacillent violemment. Dans l'expérience, cependant, ce ne sont pas les mouvements d'oscillation des atomes individuels qui ont été étudiés, mais le mouvement collectif de la sphère dans le piège laser. "Ce sont deux choses complètement différentes, tout comme le mouvement d'un pendule dans une horloge à pendule est quelque chose de différent du mouvement des atomes individuels à l'intérieur du pendule, ", explique Markus Aspelmeyer.

Technologie de contrôle quantique

L'objectif était de contrôler avec précision le mouvement pendulaire de la sphère de verre à un niveau quantique, même si la sphère de verre est en fait un objet macroscopique. Ceci ne peut être réalisé qu'à l'aide d'un système de contrôle parfaitement conçu, soigneusement ajusté à l'expérience. Cette tâche a été prise en charge par l'équipe du professeur Andreas Kugi de la TU Wien.

"L'ingénierie de contrôle consiste à influencer les systèmes de manière à ce qu'ils présentent un comportement souhaité indépendamment des perturbations et des fluctuations des paramètres, " dit Andreas Kugi. " Cela peut être un bras de robot, par exemple, une ligne de production dans une usine, ou même la température d'un haut fourneau. » L'application des méthodes modernes d'ingénierie de contrôle aux systèmes quantiques ouvre de nouvelles possibilités. « Cependant, il faut également faire face à des défis qui n'existent pas dans la théorie classique des systèmes et l'ingénierie de contrôle, " explique Kugi. " Dans l'ingénierie de commande classique, la mesure n'a pas ou peu d'influence sur le système. En physique quantique, cependant, cette influence ne peut être évitée, pour des raisons très fondamentales. Nous devons donc également développer de nouvelles méthodes d'ingénierie de contrôle. »

Ce fut un succès :la lumière rétrodiffusée par la sphère de verre a été détectée le plus précisément possible, en utilisant une technique de microscopie sophistiquée. En analysant la lumière diffusée, la position de la sphère a été déterminée en temps réel, puis un champ électrique a été continuellement ajusté de manière à contrecarrer en permanence le mouvement de la sphère de verre. De cette façon, il était possible de ralentir toute la sphère et de la mettre dans un état de mouvement qui correspond à l'état fondamental de la physique quantique, c'est-à-dire l'état de l'énergie cinétique la plus petite possible, malgré le fait qu'il s'agisse d'un objet relativement gros à haute température, dont les atomes vacillent vigoureusement.

Une coopération prometteuse entre la physique et l'automatique

"Il faut toujours considérer ensemble l'incertitude spatiale et cinétique. Globalement, l'incertitude quantique de la sphère de verre n'était que de 1,7 fois le quantum d'action de Planck, " dit Lorenzo Magrini. La constante de Planck serait la limite inférieure théorique absolue, jamais auparavant une expérience n'a été aussi proche de la limite quantique absolue en utilisant un objet de cette taille. L'énergie cinétique mesurée dans l'expérience correspondait à une température de seulement 5 micro-Kelvin, soit 5 millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Le mouvement de la sphère de verre dans son ensemble peut donc se voir attribuer une température extrêmement basse même si les atomes qui composent la sphère sont très chauds.

Ce succès montre le grand potentiel de cette nouvelle combinaison de physique quantique et d'ingénierie de contrôle :les deux groupes de recherche souhaitent continuer à travailler dans cette direction et exploiter le savoir-faire de l'ingénierie de contrôle pour permettre des expériences quantiques encore meilleures et contrôlées avec plus de précision. Il existe de nombreuses applications possibles pour cela, allant des capteurs quantiques aux technologies du domaine de l'information quantique.