Des chercheurs de l'Université d'Ottawa (uOttawa), en collaboration avec l'Institut des sciences Weizmann et l'Université de Lancaster, ont observé une transition quantique cachée qui ne peut être vue qu'en fonction de la façon dont les observateurs effectuent les mesures.

L'étude "Topological Transitions of the generalized Pancharatnam-Berry phase" a été publiée dans Science Advances le 24 novembre 2023.

Une partie essentielle de la méthode scientifique repose sur la capacité à mesurer avec précision les résultats d’une expérience et à juxtaposer ces résultats avec les résultats antérieurs. Les scientifiques développent des appareils de mesure, ou compteurs, qui leur permettent de quantifier avec précision l'ampleur des propriétés physiques. Cependant, le « processus de mesure » soulève une question critique et intrigante :le processus de mesure d'un paramètre modifie-t-il le système mesuré ?

En physique, on pense souvent que l’influence sur le système est négligeable. Pourtant, la même hypothèse ne peut pas être formulée dans le contexte de la mécanique quantique, car l'acte de mesure peut avoir un impact significatif sur le système observé.

L'équipe de recherche, dirigée par Yuval Gefen, professeur à la Faculté de physique de l'Institut des sciences Weizmann et Ebrahim Karimi, professeur de physique et titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les ondes quantiques structurées à la Faculté des sciences de l'Université d'Ottawa, a conçu un système sophistiqué protocole pour observer cette transition topologique basée sur les mesures.

Ce protocole impliquait une séquence cyclique de mesures avec des intensités variables – de forte à faible – sur l'état de polarisation des photons émis par une source laser. Leurs résultats révèlent que si la transition topologique reste intacte malgré la présence d'imperfections à la fois dans le système et dans le processus, elle est également sensible à ces imperfections.

"Cette sensibilité se manifeste par des modifications significatives dans l'emplacement et la forme de la transition, soulignant l'équilibre délicat entre l'intégrité du système et les influences externes dans des explorations scientifiques aussi avancées", a déclaré Manuel F. Ferrer-Garcia, Ph.D. candidat, qui a mené l'expérience en laboratoire au Nexus for Quantum Technologies Institute de l'Université d'Ottawa.

En mécanique quantique, il est largement admis que l’intégralité de l’état d’un système quantique est encapsulé dans sa fonction d’onde. Pour connaître l'état, le système interagit avec un appareil de mesure, c'est-à-dire des compteurs, qui jouent un rôle déterminant dans la quantification de l'ampleur d'une propriété physique. Traditionnellement, les scientifiques quantiques emploient une technique connue sous le nom de mesures projectives dans leur laboratoire.

Ces mesures sont considérées comme « fortes » car elles provoquent « l’effondrement » de la fonction d’onde, où elle est réduite à un état spécifique aligné sur l’un des états de l’appareil de mesure. Ce processus non seulement fournit des informations, mais modifie également l'état quantique initial du système. Cependant, il est possible de concevoir un protocole de mesure qui influence peu le système, conduisant à des lectures quelque peu indéterminées sur notre compteur.

Grâce à des interactions répétées, il devient possible de recueillir des informations sur le système, un processus appelé mesures « faibles ». De cette compréhension, nous pouvons déduire la possibilité de concevoir des protocoles de mesure dont l’impact se situe entre ces deux extrêmes :fort et faible. Ce concept ouvre de nouvelles voies pour explorer les systèmes quantiques et leurs interactions avec les appareils de mesure, marquant une avancée significative dans les techniques de mesure quantique.

Un aspect important, mais moins apparent, des phénomènes quantiques est leur lien profond avec les concepts topologiques. La topologie, par essence, est une branche des mathématiques axée sur l’étude des propriétés invariantes ou changeant de manière discontinue sous l’effet de déformations continues. Un exemple de ces invariants est le nombre de trous dans des surfaces fermées :par exemple, une sphère peut être continuellement transformée en forme de beignet, mais le nombre de trous passera brusquement de zéro à un lorsque deux points de surface différents entrent en contact l'un avec l'autre. .

Les invariants topologiques jouent un rôle important dans de nombreux domaines de la physique moderne. Dans ce travail, les chercheurs ont observé une transition topologique lorsque la force de mesure passe de forte à faible. Cette transition impliquait le comportement d'un autre concept mathématique :la phase géométrique ou Pancharatnam-Berry.

Lorsqu'un état quantique subit une évolution cyclique, c'est-à-dire qu'il revient à l'état initial après un certain temps, il peut acquérir une phase « globale », qui est due uniquement à la courbure de l'espace où se produit l'évolution. Cette phase peut être observée en interférant avec l'état évolué avec l'état initial.

L’impact de ces recherches dépasse le cadre de la physique fondamentale. Puisque la transition s'est avérée sensible à certaines caractéristiques du système quantique, elle a le potentiel d'être utilisée dans des applications de détection ou de caractérisation d'éléments optiques.

Plus d'informations : Manuel F. Ferrer-Garcia et al, Transitions topologiques de la phase Pancharatnam-Berry généralisée, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adg6810

Informations sur le journal : Progrès scientifiques

Fourni par l'Université d'Ottawa