Schéma d’un interféromètre laser utilisé pour observer les ondes gravitationnelles. Si l’incertitude quantique de la pression de radiation de la lumière est la force dynamique dominante agissant sur les miroirs, un objet quantique commun naît du miroir et du faisceau lumineux réfléchi. Dans ce cas, la sensibilité de l’interféromètre est optimale pour mesurer les changements de position des miroirs dus aux ondes gravitationnelles. Crédit : Alexander Franzen
Les expériences de physique quantique qui explorent le mouvement des corps macroscopiques ou lourds sous l’effet des forces gravitationnelles nécessitent une protection contre tout bruit ambiant et une détection très efficace.
Un système idéal est un miroir hautement réfléchissant dont le mouvement est détecté par une lumière monochromatique, qui est détectée photoélectriquement avec une efficacité quantique élevée. Une expérience optomécanique quantique est réalisée si les incertitudes quantiques de la lumière et du mouvement du miroir s’influencent mutuellement, conduisant finalement à l’observation d’une intrication entre les degrés de liberté optiques et motionnels.
Dans AVS Quantum Scienceco-publiée par AIP Publishing et AVS, des chercheurs de l’université de Hambourg en Allemagne passent en revue les recherches sur les détecteurs d’ondes gravitationnelles en tant qu’exemple historique des technologies quantiques et examinent la recherche fondamentale sur le lien entre la physique quantique et la gravité. L’astronomie des ondes gravitationnelles exige des sensibilités sans précédent pour mesurer les minuscules oscillations de l’espace-temps à des fréquences de bande audio et inférieures.
L’équipe a examiné les expériences récentes sur les ondes gravitationnelles, qui montrent qu’il est possible de protéger de grands objets, tels qu’un miroir en verre de quartz de 40 kilogrammes reflétant 200 kilowatts de lumière laser, des fortes influences de l’environnement thermique et sismique pour leur permettre d’évoluer comme un seul objet quantique.
“Le miroir ne perçoit que la lumière, et la lumière que le miroir. L’environnement est fondamentalement absent pour les deux”, a déclaré l’auteur Roman Schnabel. “Leur évolution conjointe est décrite par l’équation de Schrödinger”.
Ce découplage de l’environnement, qui est au cœur de toutes les technologies quantiques, y compris l’ordinateur quantique, permet des sensibilités de mesure qui seraient autrement impossibles.
L’étude des chercheurs recoupe les travaux du lauréat du prix Nobel Roger Penrose sur l’exploration du comportement quantique des objets massifs. Penrose a cherché à mieux comprendre le lien entre la physique quantique et la gravité, qui reste une question ouverte.
Penrose a pensé à une expérience dans laquelle la lumière serait couplée à un dispositif mécanique via une pression de radiation. Dans leur étude, les chercheurs montrent que, même si ces questions très fondamentales de physique ne sont toujours pas résolues, le couplage hautement blindé de dispositifs massifs qui réfléchissent la lumière laser commence à améliorer la technologie des capteurs.
À l’avenir, les chercheurs étudieront probablement la possibilité de découpler davantage les détecteurs d’ondes gravitationnelles des influences de l’environnement.
De manière plus générale, le découplage des dispositifs quantiques de tout échange d’énergie thermique avec l’environnement est essentiel. Il est nécessaire pour les dispositifs de mesure quantiques ainsi que pour les ordinateurs quantiques.
Référence : “Macroscopic quantum mechanics in gravitational-wave observatories and beyond” par Roman Schnabel et Mikhail Korobko, 15 mars 2022, AVS Quantum Science.
DOI : 10.1116/5.0077548
