Un groupe international de physiciens dirigé par le professeur Vladan Vuletic du MIT a mis au point une nouvelle technique permettant d’enchevêtrer 3 000 atomes à l’aide d’un seul photon.
Horloge atomique à fontaine de césium NIST-F1, servant d’étalon de temps et de fréquence aux Etats-Unis. Crédit image : NIST.
La nouvelle technique, décrite dans le journal Naturefournit une méthode réaliste pour générer de grands ensembles d’atomes intriqués, qui sont des composants clés pour réaliser des horloges atomiques plus précises.
Les meilleures horloges atomiques actuelles sont basées sur les oscillations naturelles d’un nuage d’atomes piégés. Lorsque les atomes oscillent, ils agissent comme un pendule et gardent le temps stable. Un faisceau laser à l’intérieur de l’horloge, dirigé à travers le nuage d’atomes, peut détecter les vibrations des atomes, qui déterminent finalement la durée d’une seconde.
La précision des horloges atomiques s’améliore au fur et à mesure que le nombre d’atomes oscillant dans un nuage augmente. La précision des horloges atomiques est proportionnelle à la racine carrée du nombre d’atomes. Par exemple, une horloge comportant 9 fois plus d’atomes ne serait que 3 fois plus précise. Si ces mêmes atomes étaient enchevêtrés, la précision d’une horloge pourrait être directement proportionnelle au nombre d’atomes – dans ce cas, elle serait 9 fois plus précise.
Plus le nombre de particules enchevêtrées est important, plus la précision de l’horloge atomique est élevée.
L’intrication est un phénomène curieux. Selon la théorie, deux ou plusieurs particules peuvent être corrélées de telle sorte que tout changement apporté à l’une d’elles modifiera simultanément l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Par exemple, si l’un des atomes d’une paire enchevêtrée est amené à tourner dans le sens des aiguilles d’une montre, l’autre atome sera instantanément amené à tourner dans le sens inverse, même si les deux atomes sont physiquement séparés par des milliers de kilomètres.
Les physiciens ont jusqu’à présent été capables d’emmêler de grands groupes d’atomes, bien que la plupart des tentatives n’aient généré une intrication qu’entre les paires d’un groupe. Un seul groupe a réussi à enchevêtrer 100 atomes.
L’équipe du professeur Vuletic a réussi à créer une intrication mutuelle entre 3 000 atomes, soit pratiquement tous les atomes de l’ensemble, en utilisant une lumière laser très faible – jusqu’à des impulsions contenant un seul photon.
“Vous pouvez argumenter qu’un seul photon ne peut pas changer l’état de 3 000 atomes, mais ce photon unique le fait – il établit des corrélations que vous n’aviez pas auparavant. Nous avons essentiellement ouvert une nouvelle classe d’états intriqués que nous pouvons créer, mais il y a beaucoup plus de nouvelles classes à explorer”, a déclaré le professeur Vuletic, qui est l’auteur principal de l’étude. Nature article.
Le professeur Vuletic et ses collègues du MIT et de l’Université de Belgrade, en Serbie, ont d’abord refroidi un nuage d’atomes, puis les ont piégés dans un piège laser, et ont envoyé une faible impulsion laser à travers le nuage.
Ils ont ensuite mis en place un détecteur pour rechercher un photon particulier dans le faisceau.
“Si un photon a traversé le nuage d’atomes sans événement, sa polarisation resterait la même. Cependant, si un photon a interagi avec les atomes, sa polarisation tourne légèrement – un signe qu’il a été affecté par le bruit quantique dans l’ensemble des atomes en rotation, le bruit étant la différence dans le nombre d’atomes tournant dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse”, ont déclaré les scientifiques.
“De temps en temps, nous observons un photon sortant dont le champ électrique oscille dans une direction perpendiculaire à celle des photons entrants. Lorsque nous détectons un tel photon, nous savons qu’il doit avoir été causé par l’ensemble atomique, et de manière assez surprenante, cette détection génère un état très fortement intriqué des atomes”, a déclaré le professeur Vuletic.
Les physiciens utilisent actuellement la technique de détection à photon unique pour construire une horloge atomique de pointe qui, espèrent-ils, permettra de surmonter ce que l’on appelle la “limite quantique standard” – une limite à la précision des mesures dans les systèmes quantiques.
