Les vibrations quantiques dans les atomes contiennent un monde miniature d'informations. Si les scientifiques peuvent mesurer avec précision ces oscillations atomiques et leur évolution dans le temps, ils peuvent affiner la précision des horloges atomiques ainsi que des capteurs quantiques, qui sont des systèmes d'atomes dont les fluctuations peuvent indiquer la présence de matière noire, une onde gravitationnelle passagère, ou même des phénomènes nouveaux et inattendus.

Un obstacle majeur sur la voie de meilleures mesures quantiques est le bruit du monde classique, qui peut facilement submerger les vibrations atomiques subtiles, rendant toute modification de ces vibrations diaboliquement difficile à détecter.

Aujourd'hui, des physiciens du MIT ont montré qu'ils pouvaient amplifier de manière significative les changements quantiques dans les vibrations atomiques, en soumettant les particules à deux processus clés :l'intrication quantique et l'inversion du temps.

Avant de commencer à magasiner pour DeLoreans, non, ils n'ont pas trouvé de moyen d'inverser le temps lui-même. Au contraire, les physiciens ont manipulé des atomes intriqués quantiquement de manière à ce que les particules se comportent comme si elles évoluaient à rebours dans le temps. Au fur et à mesure que les chercheurs rembobinaient efficacement la bande des oscillations atomiques, toute modification de ces oscillations était amplifiée, d'une manière qui pouvait être facilement mesurée.

Dans un article paru aujourd'hui dans Nature Physics , l'équipe démontre que la technique, qu'ils ont surnommée SATIN (pour l'amplification du signal par inversion du temps), est la méthode la plus sensible pour mesurer les fluctuations quantiques développée à ce jour.

La technique pourrait améliorer la précision des horloges atomiques de pointe actuelles d'un facteur 15, rendant leur synchronisation si précise que sur tout l'âge de l'univers, les horloges seraient décalées de moins de 20 millisecondes. La méthode pourrait également être utilisée pour focaliser davantage les capteurs quantiques conçus pour détecter les ondes gravitationnelles, la matière noire et d'autres phénomènes physiques.

"Nous pensons que c'est le paradigme du futur", déclare l'auteur principal Vladan Vuletic, professeur Lester Wolfe de physique au MIT. "Toute interférence quantique qui fonctionne avec de nombreux atomes peut bénéficier de cette technique."

Les co-auteurs MIT de l'étude incluent le premier auteur Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez et Chi Shu.

Chronométreurs emmêlés

Un type d'atome donné vibre à une fréquence particulière et constante qui, si elle est correctement mesurée, peut servir de pendule très précis, gardant le temps à des intervalles beaucoup plus courts que la seconde d'une horloge de cuisine. Mais à l'échelle d'un seul atome, les lois de la mécanique quantique prennent le dessus et l'oscillation de l'atome change comme la face d'une pièce à chaque fois qu'elle est retournée. Ce n'est qu'en prenant de nombreuses mesures d'un atome que les scientifiques peuvent obtenir une estimation de son oscillation réelle, une limite connue sous le nom de limite quantique standard.

Dans des horloges atomiques de pointe, les physiciens mesurent l'oscillation de milliers d'atomes ultrafroids, plusieurs fois, pour augmenter leurs chances d'obtenir une mesure précise. Néanmoins, ces systèmes comportent une certaine incertitude et leur chronométrage pourrait être plus précis.

En 2020, le groupe de Vuletic a montré que la précision des horloges atomiques actuelles pouvait être améliorée en enchevêtrant les atomes, un phénomène quantique par lequel les particules sont contraintes de se comporter dans un état collectif hautement corrélé. Dans cet état intriqué, les oscillations des atomes individuels devraient se déplacer vers une fréquence commune qui nécessiterait beaucoup moins de tentatives pour être mesurée avec précision.

"À l'époque, nous étions encore limités par la qualité de notre lecture de la phase d'horloge", explique Vuletic.

Autrement dit, les outils utilisés pour mesurer les oscillations atomiques n'étaient pas assez sensibles pour lire ou mesurer tout changement subtil dans les oscillations collectives des atomes.

Inverser le signe

Dans leur nouvelle étude, au lieu d'essayer d'améliorer la résolution des outils de lecture existants, l'équipe a cherché à amplifier le signal de tout changement dans les oscillations, de sorte qu'elles puissent être lues par les outils actuels. Ils l'ont fait en exploitant un autre phénomène curieux de la mécanique quantique :l'inversion du temps.

On pense qu'un système purement quantique, tel qu'un groupe d'atomes complètement isolé du bruit classique quotidien, devrait évoluer dans le temps de manière prévisible, et les interactions des atomes (telles que leurs oscillations) devraient être décrites précisément par le "Hamiltonien" du système - essentiellement, une description mathématique de l'énergie totale du système.

Dans les années 1980, les théoriciens ont prédit que si l'hamiltonien d'un système était inversé et que le même système quantique était amené à dé-évoluer, ce serait comme si le système remontait dans le temps.

"En mécanique quantique, si vous connaissez l'hamiltonien, vous pouvez suivre ce que fait le système dans le temps, comme une trajectoire quantique", explique Pedrozo-Peñafiel. "Si cette évolution est complètement quantique, la mécanique quantique vous dit que vous pouvez dé-évoluer, ou revenir en arrière et revenir à l'état initial."

"Et l'idée est que si vous pouviez inverser le signe de l'hamiltonien, chaque petite perturbation qui s'est produite après l'évolution du système serait amplifiée si vous remontiez dans le temps", ajoute Colombo.

Pour leur nouvelle étude, l'équipe a étudié 400 atomes ultrafroids d'ytterbium, l'un des deux types d'atomes utilisés dans les horloges atomiques d'aujourd'hui. Ils ont refroidi les atomes à juste un cheveu au-dessus du zéro absolu, à des températures où la plupart des effets classiques tels que la chaleur s'estompent et où le comportement des atomes est régi uniquement par des effets quantiques.

L'équipe a utilisé un système de lasers pour piéger les atomes, puis a envoyé une lumière "enchevêtrée" teintée de bleu, qui a contraint les atomes à osciller dans un état corrélé. Ils ont laissé les atomes intriqués évoluer dans le temps, puis les ont exposés à un petit champ magnétique, qui a introduit un minuscule changement quantique, décalant légèrement les oscillations collectives des atomes.

Un tel déplacement serait impossible à détecter avec les outils de mesure existants. Au lieu de cela, l'équipe a appliqué l'inversion du temps pour amplifier ce signal quantique. Pour ce faire, ils ont envoyé un autre laser teinté de rouge qui a stimulé les atomes à se démêler, comme s'ils évoluaient à rebours dans le temps.

Ils ont ensuite mesuré les oscillations des particules alors qu'elles retournaient à leur état non enchevêtré, et ont découvert que leur phase finale était nettement différente de leur phase initiale, ce qui prouve clairement qu'un changement quantique s'était produit quelque part dans leur évolution vers l'avant.

L'équipe a répété cette expérience des milliers de fois, avec des nuages ​​allant de 50 à 400 atomes, observant à chaque fois l'amplification attendue du signal quantique. Ils ont découvert que leur système intriqué était jusqu'à 15 fois plus sensible que des systèmes atomiques non intriqués similaires. Si leur système était appliqué aux horloges atomiques à la pointe de la technologie, cela réduirait le nombre de mesures nécessaires à ces horloges d'un facteur 15.

À l'avenir, les chercheurs espèrent tester leur méthode sur des horloges atomiques, ainsi que sur des capteurs quantiques, par exemple pour la matière noire.

"Un nuage de matière noire flottant près de la Terre pourrait changer l'heure localement, et ce que certaines personnes font, c'est comparer des horloges, par exemple, en Australie avec d'autres en Europe et aux États-Unis pour voir si elles peuvent détecter des changements soudains dans le temps qui passe", explique Vuletic. . "Notre technique est exactement adaptée à cela, car vous devez mesurer des variations de temps qui changent rapidement au fur et à mesure que le nuage passe." + Explorer plus loin

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