Les physiciens trouvent un moyen de sonder le domaine quantique sans tout détruire

En 1930, le physicien théorique allemand Werner Heisenberg a imaginé une expérience de pensée, connue aujourd’hui sous le nom de ” microscope d’Heisenberg “, pour tenter de montrer pourquoi il est impossible de mesurer la position d’un atome avec une précision illimitée. Il a imaginé d’essayer de mesurer la position d’un objet comme un atome en l’éclairant.

La lumière se déplace comme une onde, et Heisenberg savait que différentes longueurs d’onde pouvaient donner différents degrés de confiance lorsqu’elles étaient utilisées pour mesurer la position d’un objet dans l’espace. Les petites longueurs d’onde peuvent donner une mesure plus précise que les grandes, et il faudrait donc utiliser une lumière avec une longueur d’onde minuscule pour mesurer la position d’un atome, puisque les atomes sont vraiment petits. Mais il y a un problème : la lumière est également porteuse de quantité de mouvement, et les courtes longueurs d’onde sont plus porteuses de quantité de mouvement que les longues.

Cela signifie que si vous utilisez la lumière avec une courte longueur d’onde pour trouver l’atome, vous allez frapper l’atome avec toute cette quantité de mouvement, ce qui le fait bouger et risque de changer complètement son emplacement (et d’autres propriétés) dans le processus. Si vous utilisez des longueurs d’onde plus grandes, vous déplacerez moins l’atome, mais vous serez également plus incertain quant à votre mesure.

Vous êtes dans une impasse : toute mesure modifie ce que vous mesurez, et de meilleures mesures entraînent des changements plus importants.

Il est également possible de préparer des atomes dans ce que l’on appelle un état enchevêtré, ce qui signifie qu’ils agissent en coopération comme un seul atome, quelle que soit la distance qui les sépare. Si vous en poussez un, les autres bougent comme si vous les aviez tous poussés individuellement. Et si vous perturbez un atome en lui envoyant de la lumière, vous perturbez généralement toute la collection.

Dans le passé, ces deux effets rendaient impossible la mesure de la disposition des atomes intriqués sans détruire la disposition et l’intrication – qui étaient vraisemblablement préparées dans un but précis, comme la fabrication d’un ordinateur quantique.

Aujourd’hui, des physiciens dirigés par T. J. Elliott, de l’université d’Oxford (Royaume-Uni), ont proposé un moyen de mesurer les propriétés à grande échelle d’un groupe d’atomes intriqués sans altérer l’intrication. Il ne s’agit pas de mesurer des atomes individuels – cela est définitivement interdit – mais c’est plus que ce que les physiciens ont réussi à faire auparavant.

Habituellement, lorsque les physiciens enchevêtrent des atomes, ils doivent veiller à ce que les atomes soient tous plus ou moins identiques au départ. S’il y a beaucoup de types d’atomes différents, il devient beaucoup plus difficile de les faire correspondre, et l’enchevêtrement devient donc plus fragile.

Mais il est toujours possible de créer des groupes stables d’atomes intriqués qui comportent des éléments aberrants différents du groupe principal, et les auteurs de l’article ont montré que ces éléments aberrants peuvent être utilisés pour mesurer des éléments du groupe principal sans perturber leur intrication.

Les auteurs de l’article ont montré que ces valeurs aberrantes pouvaient être utilisées pour mesurer des éléments concernant le groupe principal sans perturber leur intrication. Il s’agit notamment d’informations fondamentales telles que la densité des atomes, c’est-à-dire leur proximité les uns par rapport aux autres, lorsqu’ils sont intriqués, ce qui, historiquement, était hors de portée des physiciens dans les expériences individuelles.

Auparavant, les physiciens devaient mesurer très rapidement un grand nombre d’atomes intriqués, et ils devaient accepter qu’ils modifiaient les choses dès qu’ils mesuraient le premier atome. D’autres mesures pouvaient vérifier plus d’atomes, mais elles étaient de plus en plus incertaines au fil du temps.

Aujourd’hui, il suffit de mesurer ce que font les aberrations pour comprendre comment les atomes sont distribués sans chaos. Dans certaines limites, la connaissance de la densité des atomes s’améliore – et non se dégrade – au fur et à mesure que l’on effectue des mesures.

Certes, les mesures changent encore un peu les choses (la lumière est toujours utilisée et le microscope d’Heisenberg est toujours d’actualité), mais les mesures ne vont pas détruire l’ensemble du système comme elles l’auraient fait auparavant.

Cette méthode de mesure des valeurs aberrantes est une fenêtre sur un nouveau domaine pour les physiciens, qui ne pouvaient auparavant voir que ce que faisaient les atomes enchevêtrés, et non ce qu’ils font.

Les chercheurs ont simulé un système simple comme preuve de concept, mais ils ont montré mathématiquement que cette méthode devrait fonctionner avec un large éventail de systèmes quantiques où l’intrication joue un rôle clé. Et de petites modifications de la méthode pourraient permettre de mesurer des propriétés telles que la magnétisation des atomes intriqués, au lieu de leur seule densité.

Le tout avec des atomes qui ne devraient pas être dans le groupe en premier lieu. Pas mal, les physiciens. Pas mal.

Les recherches ont été publiées dans la revue Physical Review A.