Les horloges atomiques dépassent les limites fondamentales de précision grâce à l’intrication quantique

La percée de JILA dans le domaine des horloges atomiques optiques utilise l’intrication quantique pour dépasser les limites fondamentales de précision, établissant ainsi une nouvelle norme en matière de chronométrage et ouvrant des voies à la découverte scientifique.

Historiquement, JILA (un institut conjoint créé par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l’Université du Colorado à Boulder) a été un leader mondial dans le domaine du chronométrage de précision utilisant des horloges atomiques optiques. Ces horloges exploitent les propriétés intrinsèques des atomes pour mesurer le temps avec une précision et une précision inégalées. précisionce qui représente une avancée significative dans notre quête de quantification de la dimension la plus insaisissable : le temps.

Cependant, la précision de ces horloges présente des limites fondamentales, notamment le « bruit de fond », qui est affecté par le « bruit de projection quantique » (QPN). « Cela vient des statistiques de spin des qubits individuels, de la nature véritablement quantique des atomes sondés », a expliqué Maya Miklos, étudiante diplômée de la JILA. Les comparaisons d’horloges de pointe, comme celles réalisées par Jun Ye, chercheur au JILA et au NIST et professeur de physique à Boulder à l’Université du Colorado, se rapprochent de plus en plus de cette limite fondamentale de bruit de fond. Cependant, cette limite peut être contournée en générant une intrication quantique dans les échantillons atomiques, renforçant ainsi leur stabilité.

Aujourd’hui, l’équipe de Ye, en collaboration avec James K. Thompson, membre de la JILA et du NIST, a utilisé un processus spécifique appelé compression de spin pour générer une intrication quantique, entraînant une amélioration des performances de l’horloge fonctionnant au niveau de stabilité 10-17. Leur nouvelle configuration expérimentale, publiée dans Physique naturellea également permis aux chercheurs de comparer directement deux ensembles indépendants à spin pressé pour comprendre ce niveau de précision dans la mesure du temps, un niveau jamais atteint auparavant avec une horloge à réseau optique à spin pressé.

Le développement de ces horloges atomiques optiques améliorées a des implications considérables. Au-delà du domaine du chronométrage, ils présentent des avantages potentiels pour une utilisation dans diverses explorations scientifiques, notamment pour tester les principes fondamentaux de la physique, améliorer les technologies de navigation et éventuellement contribuer à la détection des phénomènes météorologiques. ondes gravitationnelles. « Améliorer les performances de l’horloge optique jusqu’au niveau et au-delà des limites fondamentales imposées par la nature est déjà une activité scientifique intéressante », a expliqué John Robinson, étudiant diplômé de la JILA, premier auteur de l’article. « Lorsque l’on considère la physique que l’on peut découvrir avec une sensibilité améliorée, cela dresse un tableau très excitant pour l’avenir. »

Un ensemble bruyant d’atomes

Les horloges atomiques optiques fonctionnent non pas grâce à des engrenages et des pendules, mais grâce aux rythmes orchestrés entre les atomes et le laser d’excitation.

QPN pose un obstacle fondamental à la précision de ces horloges. Ce phénomène découle de l’incertitude inhérente présente dans les systèmes quantiques. Dans le contexte des horloges atomiques optiques, le QPN se manifeste comme une perturbation subtile mais omniprésente semblable à un bruit de fond qui peut obscurcir la clarté de la mesure du temps.

« Parce que chaque fois que vous mesurez un état quantique, il est projeté dans un niveau d’énergie discret, le bruit associé à ces mesures ressemble à celui de lancer un tas de pièces et de compter si elles apparaissent comme face ou face », a déclaré Miklos. « Ainsi, vous obtenez cette loi de mise à l’échelle des grands nombres où la précision de votre mesure augmente avec la racine carrée de N, votre atome nombre. Plus vous ajoutez d’atomes, meilleure est la stabilité de votre horloge. Cependant, il y a des limites à cela car, au-delà de certaines densités, vous pouvez avoir des décalages d’interaction dépendants de la densité, qui dégradent la stabilité de votre horloge.

Il existe également des limites pratiques au nombre d’atomes réalisable dans une horloge. Cependant, l’intrication peut être utilisée comme ressource quantique pour contourner ce bruit de projection. Miklos a ajouté : « Cette racine carrée de l’échelle N est valable si ces particules ne sont pas corrélées. Si vous pouvez générer de l’intrication dans votre échantillon, vous pouvez plutôt atteindre une mise à l’échelle optimale qui augmente avec N. »

Pour relever le défi posé par QPN, les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom de spin-squeezing. Dans ce processus, les états quantiques des atomes sont délicatement ajustés. Alors que les incertitudes d’une mesure quantique obéissent toujours au principe d’incertitude de Heisenberg, ces spins sont « comprimés » grâce à des interventions précises, réduisant l’incertitude dans un sens tout en l’augmentant dans un autre.

Réaliser la compression de spin dans les horloges optiques est une réalisation relativement nouvelle, mais des ressources similaires, comme la lumière comprimée, ont été utilisées dans d’autres domaines. « LIGO (L’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser) a déjà utilisé la compression des états de vide pour améliorer ses mesures des longueurs de l’interféromètre pour la détection des ondes gravitationnelles », a expliqué Yee Ming Tso, étudiant diplômé de la JILA.

Créer un « ascenseur » quantique

Pour réaliser la compression de spin, l’équipe a créé une nouvelle configuration de laboratoire comprenant un réseau mobile vertical 1D croisant une cavité optique (un résonateur composé de deux miroirs) dans la direction horizontale. Les chercheurs ont utilisé les faisceaux laser du réseau pour déplacer les ensembles atomiques de haut en bas dans tout le réseau comme un ascenseur, certains groupes d’atomes, ou sous-ensembles, entrant dans la cavité.

Ce projet a été inspiré par une collaboration récente entre le groupe de recherche Ye et Adam Kaufman, membre de la JILA, qui avait également exploré la compression de spin dans d’autres configurations de laboratoire.
« Jusqu’à présent, la compression de spin dans les horloges optiques n’avait été mise en œuvre que dans des expériences de démonstration de principe, dans lesquelles le bruit de l’horloge laser obscurcissait le signal », a déclaré Robinson. « Nous voulions observer directement l’impact positif de la compression de spin, et nous avons donc transformé le réseau optique en cet ascenseur de telle sorte que nous puissions effectuer une compression de rotation indépendante et comparer plusieurs sous-ensembles et, de cette manière, supprimer l’impact négatif de la compression de spin. horloge laser. Cette configuration a également permis aux chercheurs de montrer que l’intrication quantique survivait lors du transport de ces sous-ensembles atomiques.

À l’aide de la cavité optique, les chercheurs ont manipulé les atomes pour former des états intriqués et pressés par leur spin. Ceci a été réalisé en mesurant les propriétés collectives des atomes selon une méthode dite de « non-démolition quantique » (QND). QND prend une mesure de la propriété d’un système quantique afin que la mesure ne perturbe pas cette propriété. Deux mesures QND répétées présentent le même bruit quantique, et en prenant la différence, on peut profiter de l’annulation du bruit quantique.

Dans un système couplé atome-cavité, l’interaction entre la lumière sondant la cavité optique et les atomes situés dans la cavité a permis aux chercheurs de projeter les atomes dans un état de compression de spin avec un impact réduit sur l’incertitude QPN. Les chercheurs ont ensuite utilisé le réseau en forme d’ascenseur pour déplacer un groupe indépendant d’atomes dans la cavité, formant ainsi un deuxième ensemble à spin comprimé au sein du même appareil expérimental.

Comparer une horloge à une horloge

Une innovation clé de cette étude consistait à comparer directement les deux sous-ensembles atomiques. Grâce au réseau vertical, les chercheurs ont pu changer les sous-ensembles atomiques présents dans la cavité, en comparant directement leurs performances en mesurant alternativement le temps indiqué par chaque sous-ensemble pressé en spin.

« Dans un premier temps, nous avons effectué une comparaison d’horloge classique de deux sous-ensembles atomiques sans compression de spin », a expliqué Tso. «Ensuite, nous avons pressé les deux sous-ensembles et comparé les performances des deux horloges pressées. En fin de compte, nous avons conclu que la paire d’horloges à spin compressé fonctionnait mieux que la paire d’horloges classiques en termes de stabilité, avec une amélioration d’environ 1,9 dB (amélioration d’environ 25 %). C’est plutôt correct comme premier résultat de notre configuration expérimentale.

Cette amélioration de la stabilité a persisté même si les performances des horloges ont atteint en moyenne un niveau de stabilité de fréquence fractionnaire de 10 à 17, une nouvelle référence en matière de performances d’horloge à réseau optique à spin comprimé. « En une génération de cette expérience, nous avons à peu près réduit à moitié l’écart entre la stabilité des meilleures horloges à spin pressé et les meilleures horloges classiques pour les mesures de précision », a expliqué Miklos, qui, avec le reste de l’équipe, espère pouvoir améliorer encore cette valeur.

Une exploration au-delà du chronométrage

Avec sa comparaison d’ensembles doubles, cette configuration expérimentale marque une étape importante vers l’exploitation de la mécanique quantique à des fins pratiques et théoriques, notamment dans des domaines aussi variés que la navigation vers la physique fondamentale, permettant de tester les théories gravitationnelles et contribuant à la recherche d’une nouvelle physique. Miklos, Tso et le reste de l’équipe espèrent que leur nouvelle configuration leur permettra d’approfondir les principes fondamentaux de la gravité.

« Les mesures précises du redshift gravitationnel, qui ont été récemment effectuées dans notre laboratoire, sont quelque chose que nous aimerions approfondir en utilisant cette conception expérimentale », a ajouté Miklos. « J’espère que cela pourra nous en dire plus sur l’univers dans lequel nous vivons. »

Cette recherche a été financée en partie par le Centre national de recherche sur les sciences de l’information quantique du ministère de l’Énergie – Quantum Systems Accelerator, l’Air Force Office for Scientific Research, DARPAla bourse Vannevar Bush, le National Institute of Standards and Technology (NIST) et la National Science Foundation.