Pendant près d'un siècle, le principe de l'incertitude de Heisenberg a été l'une des idées déterminantes de la physique quantique: la position et l'élan d'une particule ne peuvent pas être connus en même temps avec une précision absolue. Plus vous en savez sur l'un, moins vous en savez sur l'autre.
Dans une nouvelle étude publiée dans Avancées scientifiquesNotre équipe montre comment contourner cette restriction, non pas en brisant la physique mais en remodelant l'incertitude elle-même.
Le résultat est une percée dans la science de la mesure qui pourrait alimenter une nouvelle génération de capteurs quantiques ultra précis fonctionnant à l'échelle des atomes.
Déplacer l'incertitude autour
Le principe d'incertitude indique clairement qu'il y aura toujours une quantité minimale d'incertitude dans les mesures. Mais vous pouvez y penser comme de l'air dans un ballon: l'air ne peut pas s'échapper, mais vous pouvez le déplacer librement à l'intérieur.
De même, lors de la mesure de la position et de l'élan, la quantité totale d'incertitude est fixe. Mais nous pouvons le redistribuer entre les deux.
Traditionnellement, ce compromis signifie faire un choix. Vous pouvez mesurer la position avec précision mais perdre des informations sur l'élan, ou vice versa.
Notre travail adopte une approche différente. Nous poussons l'incertitude dans une plage de détection sans importance.
Pour comprendre cela, essayons une autre analogie: imaginez une horloge avec une seule main. Si c'est la main de l'heure, nous connaissons exactement l'heure mais ne connaissez que grossièrement les minutes. Si c'est la main à moitié, nous pouvons lire les minutes précisément mais ne connaissez pas l'heure.
Nous appliquons cette même idée aux mesures quantiques. Nous redistribuons l'incertitude afin que nous puissions suivre simultanément de petits changements de position et de dynamisme autour d'un point choisi, même si nous ne connaissons pas l'emplacement absolu du point lui-même.
Avec cela, nous pouvons détecter de très minuscules changements dans la position et l'élan à la fois, au-delà de la limite de tout capteur classique.
Utilisation des codes de correction d'erreur pour la détection quantique
Comment avons-nous fait cela? Nous avons réutilisé des techniques conçues à l'origine pour protéger les ordinateurs quantiques contre le bruit pour améliorer la précision des dispositifs de mesure. Cette idée a été proposée pour la première fois dans une étude théorique en 2017.
Nous avons effectué notre expérience en utilisant un ion piégé. Il s'agit d'un seul atome chargé électronique maintenu en place et contrôlé avec des champs électriques et magnétiques.
Nous avons préparé l'ion dans « Grid States », une sorte d'état quantique développé à l'origine pour l'informatique quantique corrigée par erreur. Nous avons ensuite utilisé ces états comme capteur pour mesurer de minuscules signaux, d'une manière similaire à la façon dont on détecterait les erreurs dans un ordinateur quantique.
Ce croisement entre l'informatique quantique et la détection quantique est l'idée clé de notre travail.
Notre expérience a montré que nous pouvons mesurer une incertitude dans un signal correspondant à un demi-nanomètre, à peu près la taille d'un atome.
Nous pouvons également mesurer des forces extrêmement petites, mesurées en yoctonewtons – c'est un milliard de milliards de billions de Newton. C'est comme mesurer le poids d'environ 30 molécules d'oxygène.
Pourquoi est-ce important?
Être capable de mesurer des signaux extrêmement petits a de profondes implications. De manière contre-intuitive, la mesure du minuscule peut nous aider à améliorer notre compréhension de la plus grande échelle.
Les capteurs quantiques aident déjà les observatoires à ondes gravitationnelles à détecter les événements cosmiques tels que la collision des trous noirs. Notre travail ouvre la porte à des capacités de détection encore plus importantes, améliorant potentiellement notre compréhension des objets astrophysiques.
Cette expérience est toujours dans les limites d'un laboratoire de physique. Ce n'est pas un gadget que vous verrez dans les magasins demain. Mais nous sommes convaincus que cette nouvelle façon de faire des mesures de précision conduira à toute une génération de capteurs quantiques ultra-sensibles.
