Les horloges atomiques sont les meilleurs capteurs que l'humanité ait jamais construits. Aujourd'hui, on les trouve dans les instituts nationaux de normalisation ou les satellites des systèmes de navigation. Des scientifiques du monde entier travaillent à optimiser davantage la précision de ces horloges. Aujourd'hui, un groupe de recherche dirigé par Peter Zoller, un théoricien d'Innsbruck, en Autriche, a développé un nouveau concept qui peut être utilisé pour faire fonctionner des capteurs avec une précision encore plus grande, quelle que soit la plate-forme technique utilisée pour fabriquer le capteur. « Nous répondons à la question de savoir à quel point un capteur peut être précis avec les capacités de contrôle existantes, et donnons une recette pour y parvenir », expliquent Denis Vasilyev et Raphael Kaubrügger du groupe de Peter Zoller à l'Institut d'optique quantique et d'information quantique à l'Institut Académie autrichienne des sciences à Innsbruck.

Pour cela, les physiciens utilisent une méthode issue du traitement de l'information quantique :les algorithmes quantiques variationnels décrivent un circuit de portes quantiques qui dépend de paramètres libres. Grâce à des routines d'optimisation, le capteur trouve de manière autonome les meilleurs réglages pour un résultat optimal. "Nous avons appliqué cette technique à un problème de métrologie, la science de la mesure", expliquent Vasilyev et Kaubrügger. "C'est passionnant car, historiquement, les progrès de la physique atomique ont été motivés par la métrologie, et à son tour le traitement de l'information quantique en a émergé. Nous avons donc bouclé la boucle ici", déclare Peter Zoller. Avec la nouvelle approche, les scientifiques peuvent optimiser les capteurs quantiques au point où ils atteignent la meilleure précision possible techniquement admissible.

Meilleures mesures avec peu d'effort supplémentaire

Depuis un certain temps, on a compris que les horloges atomiques pourraient fonctionner avec encore plus de précision en exploitant l'intrication de la mécanique quantique. Cependant, il y a eu un manque de méthodes pour réaliser un enchevêtrement robuste pour de telles applications. Les physiciens d'Innsbruck utilisent désormais un enchevêtrement sur mesure qui est précisément adapté aux exigences du monde réel. Avec leur méthode, ils génèrent exactement la combinaison consistant en l'état quantique et les mesures qui est optimale pour chaque capteur quantique individuel. Cela permet de rapprocher la précision du capteur de l'optimum possible selon les lois de la nature, avec seulement une légère augmentation du temps système. "Dans le développement des ordinateurs quantiques, nous avons appris à créer des états intriqués sur mesure", explique Christian Marciniak du département de physique expérimentale de l'université d'Innsbruck. "Nous utilisons maintenant ces connaissances pour construire de meilleurs capteurs."

Démontrer l'avantage quantique avec des capteurs

Ce concept théorique a été mis en pratique pour la première fois à l'Université d'Innsbruck, comme le rapporte le groupe de recherche dirigé par Thomas Monz et Rainer Blatt dans Nature . Les physiciens ont effectué des mesures de fréquence basées sur des calculs quantiques variationnels sur leur ordinateur quantique à piège à ions. Étant donné que les interactions utilisées dans les pièges à ions linéaires sont encore relativement faciles à simuler sur des ordinateurs classiques, les collègues théoriciens ont pu vérifier les paramètres nécessaires sur un supercalculateur de l'Université d'Innsbruck. Bien que la configuration expérimentale ne soit en aucun cas parfaite, les résultats concordent étonnamment bien avec les valeurs théoriquement prédites. Étant donné que de telles simulations ne sont pas réalisables pour tous les capteurs, les scientifiques ont démontré une deuxième approche :ils ont utilisé des méthodes pour optimiser automatiquement les paramètres sans connaissances préalables. "Semblable à l'apprentissage automatique, l'ordinateur quantique programmable trouve son mode optimal de manière autonome en tant que capteur de haute précision", explique le physicien expérimental Thomas Feldker, décrivant le mécanisme sous-jacent.

"Notre concept permet de démontrer l'avantage des technologies quantiques sur les ordinateurs classiques sur un problème d'intérêt pratique", souligne Peter Zoller. "Nous avons démontré un composant crucial des horloges atomiques améliorées quantiques avec notre interférométrie Ramsey variationnelle. L'exécution de cela dans une horloge atomique dédiée est la prochaine étape. Ce qui n'a jusqu'à présent été montré que pour des calculs d'une pertinence pratique douteuse pourrait maintenant être démontré avec un capteur quantique programmable dans un futur proche - avantage quantique."

Les résultats ont été publiés dans les revues Nature et Examen physique X. + Explorer plus loin

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