Un monde caché de métrologues quantiques s'assure que les appareils quotidiens fonctionnent en toute sécurité et correctement, mais leur travail n'est jamais fait
Votre chargeur de téléphone a besoin de mesures quantiques précises
Si vous êtes comme moi, vous facturez presque toujours votre smartphone. Ce que vous ne réalisez peut-être pas, c'est que la capacité de le faire dépend en toute sécurité d'une mesure quantique délicate à la pointe de la physique.
Pour comprendre pourquoi, nous devons regarder ce qui se passe lorsque vous branchez votre chargeur dans une prise standard. L'électricité qui s'écoule de la prise transporte plus de cent volts, mais le chargeur est conçu pour qu'au moment où l'électricité atteigne votre téléphone, il a été converti pour transporter une douzaine. Sans cette réduction de tension, le téléphone prendrait feu.
En d'autres termes, le nombre exact de Volts est importante de manière très concrète. Mais comment savons-nous ce qu'est une seule volt? Et qui s'assure que vous pouvez faire confiance au fabricant de votre chargeur de téléphone lorsqu'ils signalent sa tension?
Bien que cela puisse sembler une question purement scientifique, aux États-Unis, la Volt a une définition juridique qui date de 1904 et est maintenue par l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), qui est chargé de veiller à ce que toutes les industries du pays soient d'accord sur les différentes unités – que ce soit les volts ou les kilogrammes ou les secondes – sont et les utilisent régulièrement. De nombreux autres pays ont leur propre unité nationale de métrologie pour faire la même chose, comme le laboratoire physique du Royaume-Uni.
En ce qui concerne la Volt, depuis plus de trois décennies, la définition de NIST est basée sur un appareil quantique. Ici, les métrologues commencent par un tableau de jonctions supraconductrices – une disposition de type passagers de passage des régions supraconductrices étroites séparées par un matériau isolant – et l'expose aux micro-ondes d'une fréquence très spécifique. Cela déclenche un effet purement quantique qui provoque une différence de tension entre les jonctions. Le nombre de volts qui compose cette différence est directement lié à deux constantes fondamentales de l'univers. Cela permet aux chercheurs de tirer parti des nombres qui, pour autant que nous sachions, une partie de l'échafaudage même de notre réalité physique pour définir ce qu'est une volt.
Notamment, les deux constantes dans ce cas sont la charge d'un seul électron, qui est une particule quantique fondamentale, et la constante de Planck, qui relie l'énergie d'un photon – une particule quantique de lumière – à sa fréquence. En d'autres termes, la ligne de la charge de votre téléphone aux ingrédients les plus élémentaires du monde quantique est étonnamment court.
Mais la Volt n'est pas seule à être enracinée dans le domaine quantique. En fait, en 2018, des métrologues du monde entier ont voté à l'unanimité pour redéfinir plusieurs entrées du système international des unités (unités SI) qui les ont rendus plus intimement liés aux détails du monde microscopique.
Pour certaines unités, ce changement était radical et dramatique. Le kilogramme, par exemple, est passé d'un morceau d'alliage de platine qui ne pouvait officiellement être poli avec le cuir d'une chèvre européenne en voie de disparition à la définition en termes de combinaison de la constante de Planck, de la vitesse de la lumière et de la fréquence à laquelle les électrons «tirent» à l'intérieur d'un type spécifique d'horloge atomique. Si vous avez récemment marché sur une échelle dans un cabinet de médecin, il s'avère que la physique quantique faisait partie de la façon dont le sens est affecté au nombre que vous y avez vu.
L'évolution vers des définitions plus quantiques des unités reflète des avancées scientifiques incroyables que nous avons réalisées au cours des dernières décennies en ce qui concerne la compréhension, le contrôle et le sondage de notre monde à ses plus petites échelles. Par exemple, en janvier, j'ai parlé à Alexander Aeppli à l'Université du Colorado Boulder, un chercheur impliqué dans la construction de certaines des horloges les plus précises du monde. «La fréquence est la meilleure chose que les humains aient jamais mesurée, nous sommes les meilleurs pour mesurer la fréquence», m'a-t-il dit. Les fréquences de ces horloges capturent la fréquence à laquelle les électrons sautent entre différentes énergies dans un atome, un processus qui est régi par les lois de la physique quantique.
Ce niveau de contrôle remarquable sur les systèmes quantiques, et les humains étant le «meilleur absolu» de quelque chose de quantum, présente des avantages au-delà d'une définition incroyablement précise d'une seconde. Les horloges à base d'atome, par exemple, pourraient trouver des utilisations pour calculer précisément la forme de la Terre ou peut-être même dans les systèmes d'alerte précoce de nouvelle génération pour les tremblements de terre et les éruptions volcaniques.
Aller quantum peut également aider à démocratiser l'accès aux meilleures normes de mesure au monde. Avant la redéfinition 2018 des unités SI, des fabricants, des chercheurs et des technologues qui voulaient certifier que leurs appareils étaient exacts et correctement calibrés devaient souvent les envoyer à leur institut de métrologie local, où les spécialistes réaliseraient une certification. Maintenant, les normes contre lesquelles les unités sont certifiées sont des facettes de la nature qui sont essentiellement à gagner pour quiconque avec un laboratoire suffisamment sophistiqué. «Comme nous le disions, l'idée est de nous mettre à la faillite», explique Richard Davis, qui est retiré du Bureau international des poids et des mesures, qui supervise le système SI. «L'ensemble du système est beaucoup plus flexible, et aussi beaucoup moins eurocentrique.»
« Nous avons tout cet équipement, donc les gens viennent à nous. Mais l'une des choses sur lesquelles nous travaillons depuis cette redéfinition est que les gens ne nous envoient plus leur équipement, et nous essayons de leur apprendre à le mesurer eux-mêmes », m'a dit Jason Underwood de Nist en août. « Il y a maintenant ce cadre sous le nouveau SI, où tout ce que vous essayez de faire est de créer un instrument qui peut vous rendre la traçabilité à ces constantes fondamentales de l'univers. »
Lui et son collègue ont récemment débuté un prototype d'un appareil quantique qui peut mesurer trois unités électriques différentes, y compris la Volt, simultanément, et l'un de leurs objectifs à long terme avec la construction était exactement de faire quelque chose qui pourrait éventuellement quitter le bâtiment NIST. En étant un accord trois en un, un tel appareil, s'il est vraiment portable, rendrait beaucoup plus facile et plus abordable de comparer les appareils électroniques aux normes pertinentes.
Historiquement, la façon dont nous pensons aux unités est devenue de plus en plus quantique, mais que pourrait-il tenir leur avenir? En ce qui concerne les unités électriques comme celles-ci et ses collègues, la norme quantique n'a pas encore été internationalement acceptée de la même manière que celle du second ou du kilogramme, et de nombreuses autres expériences doivent être faites pour y arriver. Des appareils similaires sont également développés ailleurs dans le monde, comme par le Consortium Quahmet basé à l'UE.
L'avenir de la seconde est également en flux, car les chercheurs travaillent à construire des horloges atomiques encore meilleures et repensées et démontrer qu'ils pourraient être utilisés pour redéfinir la façon dont nous mesurons le temps. En avril, j'ai rendu compte d'une équipe internationale de chercheurs qui s'est lancée dans un voyage épique avec plusieurs de ces horloges fragiles et de pointe, une du Japon, une du Royaume-Uni et une d'Allemagne, en remorque, avec la mission de comparer leurs tiques. Ce travail est également en cours, donc je m'attends à écrire davantage sur les horloges quantiques à l'avenir.
Mais malgré les métrologues en quête de plus de stabilité dans leurs définitions, le travail de métrologie est intrinsèquement instable, car il est intimement lié aux politiques de financement national et à la diplomatie internationale. Cela était vrai en 1875, lorsque les délégués lors de la toute première convention internationale sur la mesure ont dû naviguer dans les tensions politiques entre la France et l'Allemagne à la suite de la guerre franco-prussienne. Et cela reste vrai aujourd'hui – lorsque j'ai rendu compte des travaux de NIST en août, une partie de ma discussion avec les chercheurs concernait l'infrastructure de l'institution, qu'une étude en 2023 se détériorait. L'administration Trump a même proposé une baisse budgétaire de 43% pour le NIST plus tôt cette année. Le Congrès a finalement rejeté la proposition, mais l'épisode souligne à quel point il est difficile de divorcer du travail des instituts de métrologie de la politique nationale.
