Des partenaires incompatibles sont refroidis : un seul ion béryllium (rouge, à gauche) et un seul ion argon hautement chargé (violet, à droite) sont bombardés par des lasers de divers côtés et sont presque complètement immobilisés. Crédit : PTB
Les chercheurs de QUEST surmontent un obstacle majeur sur le chemin vers des horloges atomiques optiques encore plus précises.
Les faisceaux laser peuvent faire plus que simplement réchauffer les choses ; ils peuvent aussi les refroidir. Ce n’est pas nouveau pour les physiciens qui se sont consacrés à la spectroscopie de précision et au développement d’horloges atomiques optiques. Mais ce qui est nouveau, c’est la température extrêmement basse que les chercheurs de l’institut QUEST du Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ont pu atteindre avec leurs ions hautement chargés – ce type d’ion n’a jamais été refroidi jusqu’à 200 µK auparavant. . L’équipe travaillant sur cela a réussi en combinant leurs méthodes établies qui incluent le refroidissement laser d’ions couplés et des méthodes du domaine de l’informatique quantique. L’application d’algorithmes quantiques a permis de garantir que les ions trop dissemblables pour que le refroidissement laser traditionnel fonctionne efficacement pourraient finalement être refroidis ensemble. Cela signifie que nous nous rapprochons d’une horloge atomique optique avec des ions hautement chargés, et cette horloge pourrait avoir le potentiel d’être encore plus précise que les horloges atomiques optiques existantes. Les résultats ont été publiés dans le dernier numéro de Physical Review X.
Si vous souhaitez étudier des particules – telles que des ions – de manière extrêmement précise (par exemple, en utilisant la spectroscopie de précision ou pour mesurer leur fréquence dans une horloge atomique), vous devez les rapprocher le plus possible de l’arrêt. L’arrêt le plus extrême correspond à la température la plus basse possible, ce qui signifie que vous devez les refroidir aussi efficacement que possible. L’une des méthodes de refroidissement de haute technologie établies est ce qu’on appelle le refroidissement laser. Cette méthode voit les particules ralenties par des lasers savamment disposés. Cependant, toutes les particules ne sont pas adaptées à cette méthode. C’est pourquoi des paires d’ions couplés sont utilisées depuis longtemps à l’Institut QUEST afin de pallier cela : Un ion (appelé « ion de refroidissement » ou « ion logique ») est refroidi par des lasers ; simultanément, son ion partenaire couplé est également refroidi et peut ensuite être étudié par spectroscopie (on l’appelle donc « ion de spectroscopie »). Mais cette méthode a toujours atteint ses limites jusqu’à présent lorsque les deux ions ont trop différé dans leurs rapports charge/masse, c’est-à-dire lorsqu’ils ont été très différents en masse et très différemment chargés. “Mais ce sont maintenant ces mêmes ions qui sont particulièrement intéressants pour nos recherches, par exemple pour développer de nouvelles horloges optiques”, explique le physicien de QUEST Steven King.
Comme lui et son équipe sont naturellement très expérimentés dans l’application des lois de la mécanique quantique (le refroidissement couplé est, après tout, basé sur les lois quantiques), ils ont utilisé la boîte à outils du chercheur en informatique quantique. Les algorithmes quantiques, c’est-à-dire les opérations informatiques basées sur la manipulation de quanta individuels, ne peuvent pas seulement être utilisés pour effectuer des calculs plus rapidement que jamais avec un ordinateur quantique. Ils peuvent également aider à extraire l’énergie cinétique de la paire d’ions mésappariés. Au cours du processus de refroidissement dit algorithmique, les opérations quantiques sont utilisées pour faire exactement cela : pour transférer l’énergie du mouvement à peine refroidissable de l’ion de spectroscopie au mouvement facilement refroidissable de l’ion logique.
Et ils ont extrêmement bien réussi à le faire : « Nous avons pu extraire tellement d’énergie de la paire d’ions – constituée d’un ion de béryllium à charge unique et d’un ion d’argon hautement chargé – que leur température a finalement chuté à seulement 200 µK », a déclaré l’un des doctorants de QUEST, Lukas Spieß. Un tel ensemble n’a jamais été aussi proche de zéro absolu (comme dans : si immobile). “De plus, nous avons également observé un niveau de bruit de champ électrique sans précédent”, a-t-il ajouté. Ce bruit conduit normalement à un échauffement des ions lorsque le refroidissement s’arrête, mais celui-ci s’avère particulièrement faible dans leur appareil. La combinaison de ces deux choses signifie que le dernier obstacle majeur sur leur chemin a maintenant été surmonté et qu’une horloge atomique optique basée sur des ions hautement chargés peut être construite. Cette horloge atomique pourrait atteindre une incertitude inférieure à 10-18. Seules les meilleures horloges atomiques optiques au monde sont actuellement capables d’atteindre ce genre de performances. Ces découvertes sont également d’une grande importance pour le développement des ordinateurs quantiques et pour la spectroscopie de précision.
Référence : “Algorithmic Ground-state Cooling of Weakly-Coupled Oscillators using Quantum Logic” par Steven A. King, Lukas J. Spieß, Peter Micke, Alexander Wilzewski, Tobias Leopold, José R. Crespo López-Urrutia et Piet O. Schmidt, 10 décembre 2021, Examen physique X.
DOI : 10.1103 / PhysRevX.11.041049
