Les ingénieurs quantiques de l'UNSW ont développé un nouvel amplificateur qui pourrait aider d'autres scientifiques à rechercher des particules de matière noire insaisissables.
Imaginez que vous lancez une balle. On s’attendrait à ce que la science soit capable de déterminer sa vitesse et sa localisation exactes à tout moment, n’est-ce pas ? Eh bien, la théorie de la mécanique quantique dit qu'on ne peut pas connaître les deux avec une précision infinie en même temps.
Il s'avère qu'à mesure que vous mesurez plus précisément où se trouve la balle, connaître sa vitesse devient de moins en moins précis.
Cette énigme est communément appelée principe d'incertitude de Heisenberg, du nom du célèbre physicien Werner Heisenberg qui l'a décrit pour la première fois.
Pour la balle, cet effet est imperceptible, mais dans le monde quantique des petits électrons et photons, l'incertitude de mesure devient soudainement très importante.
C'est le problème auquel s'attaque une équipe d'ingénieurs de l'UNSW Sydney qui a développé un dispositif d'amplification qui effectue des mesures précises de signaux micro-ondes très faibles, et ce grâce à un processus connu sous le nom de compression.
Le compression consiste à réduire la certitude d'une propriété d'un signal afin d'obtenir des mesures ultra-précises d'une autre propriété.
L'équipe de chercheurs de l'UNSW, dirigée par le professeur agrégé Jarryd Pla, a considérablement augmenté la précision de mesure des signaux aux fréquences micro-ondes, comme celles émises par votre téléphone portable, au point d'établir un nouveau record du monde.
La précision de la mesure de tout signal est fondamentalement limitée par le bruit. Le bruit est le flou qui s'infiltre et masque les signaux, ce que vous avez peut-être déjà ressenti si vous vous êtes déjà aventuré hors de portée en écoutant la radio AM ou FM.
Cependant, l'incertitude dans le monde quantique signifie qu'il existe une limite quant au faible niveau de bruit pouvant être généré lors d'une mesure.
"Même dans le vide, un espace vide de tout, le principe d'incertitude nous dit que nous devons toujours avoir du bruit. Nous appelons cela le bruit du "vide". Pour de nombreuses expériences quantiques, le bruit du vide est l'effet dominant qui nous empêche de faire des mesures plus précises. ", déclare le Prof. Pla de l'École de génie électrique et de télécommunications de l'UNSW, et co-auteur d'un article publié dans Nature Communications .
Le presse-agrumes produit par l'équipe UNSW peut dépasser cette limite quantique.
« L'appareil amplifie le bruit dans une direction, de sorte que le bruit dans une autre direction soit considérablement réduit, ou « comprimé ». Considérez le bruit comme une balle de tennis :si nous l'étirons verticalement, il doit alors diminuer horizontalement pour maintenir son volume. Nous pouvons ensuite utiliser la partie réduite du bruit pour effectuer des mesures plus précises", a déclaré le professeur A/Prof. Pla dit.
"Nous avons montré que le presse-agrumes est capable de réduire le bruit pour enregistrer de faibles niveaux."
L'appareil est le résultat d'un travail minutieux. doctorat Le candidat Arjen Vaartjes, co-auteur principal de l'article avec ses collègues de l'UNSW, le Dr Anders Kringhøj et le Dr Wyatt Vine, ajoute :« La compression est très difficile aux fréquences micro-ondes car les matériaux utilisés ont tendance à détruire assez facilement le fragile bruit pressé.
"Nous avons fait beaucoup d'ingénierie pour éliminer les sources de perte, ce qui signifie utiliser des matériaux supraconducteurs de très haute qualité pour construire l'amplificateur."
Et l'équipe pense que le nouveau dispositif pourrait aider à accélérer la recherche de particules notoirement insaisissables connues sous le nom d'axions, qui ne sont jusqu'à présent que théoriques, mais proposées par beaucoup comme l'ingrédient secret de la mystérieuse matière noire.
Mesures d'axions
Faire des mesures précises est le domaine des scientifiques qui tentent de découvrir ce qui constitue la matière noire, qui représenterait environ 27 % de l'univers connu, mais reste un mystère cosmique puisque les scientifiques n'ont pas été en mesure de l'identifier.
Comme son nom l’indique, il n’émet ni n’absorbe de lumière, ce qui le rend « invisible ». Mais les physiciens pensent qu'il doit être là, exerçant une attraction gravitationnelle, sinon les galaxies s'envoleraient.
Il existe de nombreuses théories variées sur la composition de la matière noire, y compris l'existence proposée de ce qu'on appelle les axions.
Les axions eux-mêmes n'ont jamais non plus été découverts, la théorie étant qu'ils sont presque insondables, avec une masse extrêmement faible en tant que particule individuelle, et interagissent donc de manière pratiquement imperceptible avec d'autres matières connues.
Cependant, une idée prédit que lorsqu’ils sont exposés à de grands champs magnétiques, les axions devraient produire de très faibles signaux micro-ondes. Les scientifiques utilisent des équipements très sensibles et effectuent des mesures méticuleuses pour tenter de repérer ces signaux infimes.
Mais comme le Prof. Pla déclare :"Lorsque vous essayez de détecter des particules aussi fantomatiques que des axions, même le bruit du vide peut être assourdissant."
Le travail effectué sur la compression à l'UNSW signifie que ces mesures pourraient désormais être effectuées jusqu'à six fois plus rapidement, améliorant ainsi les chances de découvrir un axion insaisissable.
"Les détecteurs Axion peuvent utiliser des presse-agrumes pour réduire le bruit et accélérer leurs mesures. Nos résultats indiquent que ces expériences pourraient désormais être réalisées encore plus rapidement qu'auparavant", explique le professeur Axion. Pla.
"Les scientifiques peuvent voir les effets de la matière noire sur les galaxies, mais personne ne l'a jamais détecté. Jusqu'à ce que vous mesuriez physiquement un axion, il ne s'agira que d'une théorie sur la façon dont la matière noire se manifeste."
Le co-auteur principal, le Dr Vine, affirme qu'il existe d'autres applications pour le nouveau dispositif d'amplification de l'équipe.
"Ce que nous avons également montré dans notre étude, c'est que l'appareil peut fonctionner à des températures plus élevées que les presse-agrumes précédents et également dans des champs magnétiques importants", explique le Dr Vine.
"Cela ouvre la porte à son application dans des techniques telles que la spectroscopie, qui est utilisée pour étudier la structure de nouveaux matériaux et systèmes biologiques tels que les protéines. Le bruit comprimé signifie que vous pouvez étudier des volumes plus petits ou mesurer des échantillons avec une plus grande précision."
Le Dr Kringhøj note que le bruit compressé lui-même pourrait même être utilisé dans les futurs ordinateurs quantiques.
"Il s'avère que la compression du bruit du vide est un ingrédient pour construire un certain type d'ordinateur quantique. Ce qui est passionnant, c'est que le niveau de compression que nous avons atteint n'est pas loin de celui nécessaire pour construire un tel système", dit-il.
