Depuis plus d'un siècle, les physiciens se sont affrontés avec l'une des questions les plus profondes de la science: comment les règles de la mécanique quantique, qui régissent les plus petites particules, s'adaptent aux lois de la relativité générale, qui décrivent l'univers aux échelles les plus importantes?
L'horloge de réseau optique, l'un des dispositifs de chronométrage les plus précis, devient un outil puissant utilisé pour relever ce grand défi. Dans une horloge de réseau optique, les atomes sont piégés dans un potentiel de « réseau » formé par les faisceaux laser et sont manipulés avec un contrôle précis de la cohérence quantique et des interactions régies par la mécanique quantique.
Selon les lois sur la relativité générale d'Einstein, le temps se déplace plus lentement dans des champs gravitationnels plus forts. Cet effet, connu sous le nom de décalage vers le rouge gravitationnel, conduit à un minuscule décalage des niveaux d'énergie internes des atomes en fonction de leur position dans les champs gravitationnels, provoquant leur «tic» – les oscillations qui définissent le temps dans les horloges optiques – pour changer.
En mesurant les minuscules changements de fréquence d'oscillation dans ces horloges ultra-précises, les chercheurs sont capables d'explorer les influences de la théorie de la relativité d'Einstein sur les systèmes quantiques.
Bien que les effets relativistes soient bien compris pour les atomes individuels, leur rôle dans les systèmes quantiques à nombreux corps, où les atomes peuvent interagir et s'emmêler, reste largement inexploré.
Faire un pas en avant dans cette direction, des chercheurs dirigés par Jila et Nist Fellows et les professeurs de physique de Boulder de l'Université du Colorado, Jun Ye et Ana Maria Rey – en collaboration avec les scientifiques de l'Université de Leibnitz à Hanovre, l'Académie autrichienne des sciences, et l'Université d'Innsbruck – TRAPPOSEM Interactions dans une horloge atomique optique.
Leur travail a révélé que l'interaction entre les effets gravitationnels et les interactions quantiques peut conduire à des phénomènes inattendus, tels que la synchronisation atomique et l'enchevêtrement quantique entre les particules.
Les résultats de cette étude sont publiés dans Lettres d'examen physique.
« L'une de nos principales conclusions est que les interactions entre les atomes peuvent aider à les verrouiller ensemble afin qu'ils se comportent maintenant comme un système unifié au lieu de cocher indépendamment en raison du décalage rouge gravitationnel », explique le Dr Anjun Chu, ancien étudiant diplômé de Jila, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Chicago et au premier auteur du journal.
« C'est vraiment cool car cela montre directement l'interaction entre les interactions quantiques et les effets gravitationnels. »
« L'interaction entre la relativité générale (GR) et l'enchevêtrement quantique a intrigué les physiciens depuis des années », ajoute Rey.
« Le défi réside dans le fait que les corrections GR dans la plupart des expériences de table sont minuscules, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter. Cependant, les horloges atomiques atteignent désormais une précision sans précédent, apportant ces effets insaisissables dans la plage mesurable.
« Étant donné que ces horloges interrogent simultanément de nombreux atomes, ils fournissent une plate-forme unique pour explorer l'intersection de GR et de la physique quantique à plusieurs corps. Dans ce travail, nous avons étudié un système où les atomes interagissent en échangeant des photons dans une cavité optique.
« Fait intéressant, nous avons découvert que bien que les interactions individuelles ne puissent avoir aucun effet direct sur le tic-tac de l'horloge, leur influence collective sur le décalage vers le rouge peut modifier considérablement la dynamique et même générer un enchevêtrement parmi les atomes, ce qui est très excitant. »
Distinguer les effets gravitationnels
Pour explorer ce défi, l'équipe a conçu des protocoles innovants pour observer comment le décalage vers le rouge gravitationnel interfère avec le comportement quantique.
Le premier problème sur lequel ils se sont concentrés a été de distinguer de manière unique les effets gravitationnels dans une horloge de réseau optique des autres sources de bruit contribuant aux minuscules changements de fréquence.
Ils ont utilisé une technique appelée protocole de pansement, qui consiste à manipuler les états internes des particules à lumière laser. Bien que les protocoles de pansement soient un outil standard en optique quantique, il s'agit de l'un des premiers cas du protocole utilisé pour affiner les effets gravitationnels.
L'accordabilité est basée sur le mécanisme connu sous le nom d'équivalence d'énergie massive (de la célèbre équation d'Einstein E = MC2), ce qui signifie que les changements dans l'énergie interne d'une particule peuvent subtilement modifier sa masse. Sur la base de ce mécanisme, un atome à l'état excité a une masse légèrement plus grande par rapport au même atome à l'état fondamental.
La différence de masse dans l'énergie potentielle gravitationnelle équivaut à un décalage vers le rouge gravitationnel. Le protocole de pansement fournit un moyen flexible de régler la différence de masse, et donc le décalage rouge gravitationnel, en contrôlant les particules pour rester dans une superposition des deux états d'énergie interne.
Au lieu d'être strictement dans le sol ou un état excité, les particules peuvent être réglées pour occuper simultanément les deux états avec un changement continu de probabilité d'occupation entre ces deux niveaux. Cette technique fournit un contrôle sans précédent des états internes, permettant aux chercheurs d'affiner la taille des effets gravitationnels.
De cette façon, les chercheurs pourraient distinguer les effets de décalage vers le rouge de véritables influences, comme les gradients de champ magnétique, au sein du système.
« En modifiant les superpositions des niveaux internes des particules que vous abordez, vous pouvez modifier la taille des effets gravitationnels », note l'étudiant diplômé de Jila Maya Miklos. « C'est une façon vraiment intelligente de sonder l'équivalence en énergie massive au niveau quantique. »
Voir la synchronisation et l'enchevêtrement
Après avoir fourni une recette pour distinguer les effets gravitationnels authentiques, les chercheurs ont exploré les manifestations gravitationnelles dans la dynamique quantique à plusieurs corps. Ils ont utilisé les interactions médiées par les photons générées en plaçant les atomes dans une cavité optique.
Si un atome est dans un état excité, il peut se détendre à l'état fondamental en émettant un photon dans la cavité. Ce photon n'échappe pas nécessairement au système mais peut être absorbé par un autre atome à l'état fondamental, l'excitant à son tour.
Un tel échange d'énergie – connu sous le nom d'interactions médiés par des photons – est la clé pour que les particules interagissent, même lorsqu'elles ne peuvent pas se toucher physiquement.
De tels types d'interactions quantiques peuvent rivaliser avec les effets gravitationnels sur les atomes individuels à l'intérieur de la cavité. En règle générale, les particules positionnées à différentes « hauteurs » dans un champ gravitationnel éprouvent de légères différences dans la façon dont elles « cochent » en raison de la décalage rouge gravitationnel. Sans interactions entre les particules, la légère différence des fréquences d'oscillation les fera tomber en cours de synchronisation au fil du temps.
Cependant, lorsque des interactions médiées par des photons ont été introduites, quelque chose de remarquable s'est produit: les particules ont commencé à se synchroniser, « verrouillant » efficacement leur ticant malgré les différences de fréquences d'oscillation induites par la gravité.
« C'est fascinant », dit Chu. « Vous pouvez considérer chaque particule comme sa propre petite horloge. Mais quand elles interagissent, elles commencent à cocher à l'unisson, même si la gravité essaie de séparer leur timing. »
Cette synchronisation a montré une interaction fascinante entre les effets gravitationnels et les interactions quantiques, où ce dernier peut remplacer la désynchronisation naturelle causée par le décalage rouge gravitationnel.
Cette synchronisation n'était pas seulement une bizarrerie – elle a également conduit à la création d'un enchevêtrement quantique, un phénomène où les particules deviennent interconnectées, l'état de l'un affectant instantanément l'autre.
Remarquablement, les chercheurs ont constaté que la vitesse de synchronisation pourrait également servir de mesure indirecte de l'enchevêtrement, offrant un aperçu de la quantification de l'interaction entre deux effets.
« La synchronisation est le premier phénomène que nous pouvons voir qui révèle cette concurrence entre le décalage vers le rouge gravitationnel et les interactions quantiques », ajoute le chercheur postdoctoral de Jila, le Dr Kyungtae Kim. « C'est une fenêtre sur la façon dont ces deux forces se équilibrent. »
Bien que cette étude ait révélé les interactions initiales entre ces deux domaines de la physique, les protocoles développés pourraient aider à affiner les techniques expérimentales, ce qui les rend encore plus précises – avec des applications allant de l'informatique quantique aux expériences de physique fondamentale.
« La détection de cet enchevêtrement facilité par GR serait une réalisation révolutionnaire, et nos calculs théoriques suggèrent qu'il est à la portée des expériences actuelles ou à court terme », explique Rey.
Les expériences futures pourraient explorer comment les particules se comportent dans différentes conditions ou comment les interactions peuvent amplifier les effets gravitationnels, nous rapprochant de l'unification des deux grands piliers de la physique moderne.
