Des chats quantiques écrasés
Le professeur Jonathan Home de l'ETH et ses collaborateurs ont puisé au plus profond de leur bo?te à malice pour créer ce qu'ils appellent des "chats de Schr?dinger écrasés". Ces systèmes quantiques pourraient être extrêmement utiles pour les technologies futures.
La physique quantique regorge de phénomènes fascinants. Il y a par exemple le chat de la célèbre expérience de pensée du physicien Erwin Schr?dinger. Il peut être à la fois mort et vivant, car sa vie dépend de l'état, déterminé par la mécanique quantique, d'un atome qui se désintègre de manière radioactive et qui, à son tour, laisse échapper un gaz toxique dans la cage du chat. Tant que l'on n'a pas mesuré l'état de l'atome, on ne sait rien de l'état de santé du pauvre chat - l'atome et le chat sont étroitement "imbriqués" l'un dans l'autre.
Les états quantiques dits "écrasés", un peu moins connus, sont tout aussi étonnants : Normalement, selon le principe d'incertitude d'Heisenberg, il n'est pas possible de déterminer certaines paires de grandeurs physiques - par exemple la position et la vitesse d'une particule quantique - avec une précision arbitraire. Toutefois, la nature permet ici un échange : si l'on prépare la particule en conséquence, l'une des grandeurs peut être mesurée avec un peu plus de précision, si l'on accepte en contrepartie une connaissance moins précise de l'autre grandeur. Dans ce cas, la préparation est appelée "écrasement", car l'imprécision de l'une des grandeurs mesurées est réduite (écrasée).
Le chat de Schr?dinger et les états quantiques écrasés sont, chacun en soi, des phénomènes physiques déjà importants sur lesquels reposent des technologies d'avenir prometteuses. Des chercheurs de l'ETH ont désormais réussi à les réunir de manière profitable dans une expérience.
Ecrasement et déplacement
Dans leur laboratoire, Jonathan Home, professeur d'optique quantique expérimentale et de photonique, et ses collègues capturent à cet effet un seul ion de calcium chargé électriquement dans une minuscule cage de champs électriques. ? l'aide de rayons laser, ils refroidissent l'ion jusqu'à ce qu'il ne bouge plus que très peu dans la cage. Ensuite, ils ont recours à une astuce : Les chercheurs "écrasent" l'état de mouvement de l'ion en le bombardant de lumière laser et en profitant habilement de la désintégration spontanée de ses états énergétiques. Au final, la fonction d'onde de l'ion (qui indique sa probabilité de présence dans l'espace) est littéralement comprimée : les physiciens savent désormais plus précisément où se trouve l'ion dans l'espace, mais en contrepartie, l'imprécision de sa vitesse a augmenté d'autant. "Cet écrasement de l'état est un outil important pour nous", explique Home. "En combinaison avec un deuxième outil - ce que l'on appelle les forces dépendantes de l'état - nous pouvons créer un 'chat de Schr?dinger écrasé'".
Pour ce faire, l'ion est à nouveau exposé à des rayons laser qui le déplacent vers la gauche ou vers la droite. La direction des forces générées par le laser dépend de l'état énergétique interne dans lequel se trouve l'ion. Celui-ci peut être représenté par une flèche pointant vers le haut ou vers le bas ou par ce que l'on appelle le spin. Si l'ion se trouve dans un état énergétique superposé de "spin supérieur" et de "spin inférieur", la force agit aussi bien vers la droite que vers la gauche. Il en résulte une situation particulière qui ressemble au chat de Schr?dinger : L'ion se trouve dans un état hermaphrodite, à savoir à la fois à droite (le chat est vivant) et à gauche (le chat est mort). Ce n'est qu'en mesurant le spin que l'on décide si l'ion est à droite ou à gauche.
Des chats stables pour les ordinateurs quantiques
La particularité du chat de Schr?dinger de Home et de ses collaborateurs est que l'écrasement initial permet de distinguer particulièrement facilement les états ioniques "droit" et "gauche". En même temps, le chat est assez grand, car les états ioniques sont très éloignés les uns des autres. Même sans l'écrasement, notre "chat" est le plus grand qui ait été fabriqué jusqu'à présent", souligne Home. "Avec l'écrasement, les états "droit" et "gauche" sont encore mieux différenciés - ils sont soixante fois plus étroits que la distance qui les sépare". Il ne s'agit bien s?r pas seulement de records scientifiques, mais aussi d'applications pratiques. Les chats de Schr?dinger écrasés sont en effet extrêmement stables face à certaines perturbations qui les transforment normalement en "chats" normaux sans propriétés quantiques. Cette stabilité pourrait être utilisée pour la réalisation d'ordinateurs quantiques qui calculent avec des superpositions quantiques. Des mesures ultra-précises pourraient également être rendues moins sensibles aux influences extérieures indésirables.
Bibliographie
Lo HY, Kienzler D, de Clercq L, Marinelli M, Negnevitsky V, Keitch, BC, Home JP : Spin-motion entanglement and state diagnosis with squeezed oscillator wavepackets. Nature, 21 mai 2015, doi : page externe10.1038/nature14458