Les scientifiques ont réussi à utiliser la célèbre expérience de pensée du « chat de Schrödinger » pour améliorer la précision des horloges atomiques. Ce développement promet de révolutionner la mesure du temps et d’avoir des applications dans divers domaines scientifiques et technologiques.
Des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder et du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont réalisé des progrès significatifs dans le domaine de la chronométrie avec la création d’un nouveau type d’horloge optique atomique.
Ce dispositif, qui défie les limites de la précision temporelle, est composé d’atomes de strontium disposés selon un motif en grille. Ce qui distingue cette montre, c’est l’utilisation du intrication quantiqueune interaction presque fantomatique entre des groupes d’atomes, qui permet d’intégrer quatre horloges différentes dans un seul appareil de mesure du temps.
chat précis
L’intrication quantique est un phénomène de la mécanique quantique qui permet à des particules telles que des atomes, des photons ou des électrons d’être connectés de telle manière que l’état de l’un influence instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.
Dans le cadre des horloges atomiques optiques, ce principe est utilisé pour augmenter la précision de la mesure du temps. Les atomes intriqués agissent comme s’ils formaient un système unique, ce qui rend leur comportement plus facile à prédire car les informations sur l’une des particules révèlent automatiquement des informations sur l’autre.
Ce comportement permet aux horloges de synchroniser leurs « tics » avec une précision qui dépasse les limites des horloges atomiques conventionnelles.
Synchronisation quantique
Pour obtenir ces effets, les atomes sont excités par un laser à des fréquences spécifiques qui font passer les électrons entre les niveaux d’énergie. Ces sauts d’énergie permettent de compter des « tics » extrêmement précis.
En enchevêtrant les atomes, un réseau d’atomes superposés est créé qui vibrent à l’unisson, réduisant considérablement les incertitudes dans la mesure du temps et améliorant la stabilité de l’horloge.
Ce type d’horloge peut atteindre une telle précision qu’elle enregistre même de petites variations de gravité si on l’élève d’une fraction de millimètre seulement, ce qui a des applications potentielles dans des domaines tels que la géodésie ou la navigation par satellite.
Limite quantique dépassée
La nouvelle équipe de recherche, dirigée par le physicien Adam Kaufmanest allé un peu plus loin et a suivi un processus en deux phases pour parvenir à son horloge atomique originelle : non seulement il a intriqué les atomes du système pour les éloigner des perturbations, mais il les a également mis en état de superposition suite à l’apparition de perturbations. modèle du chat imaginé par Schrödinger en 1935. Il a ainsi réussi à ce que sa montre puisse dépasser un point de référence en matière de précision connu sous le nom de « limite quantique standard », qui est le niveau de précision que l’on pensait ne pouvait pas être dépassé en raison de le principe d’incertitude de Heisenberg.
« La superposition d’arrangements atomiques programmables avec des horloges atomiques optiques offre une nouvelle façon de rapprocher la précision des mesures de la limite de Heisenberg », expliquent ces chercheurs.
En surmontant cette limite, inhérente à l’incertitude du comportement imprévisible du monde quantique, les nouvelles horloges optiques atomiques peuvent non seulement mesurer le temps avec une précision sans précédent, mais peuvent également contribuer au développement de nouvelles technologies quantiques et améliorer notre compréhension des phénomènes physiques fondamentaux. phénomènes, puisque ces horloges permettent un contrôle individuel des atomes à un très haut degré, tant en termes de leur localisation que de leurs états énergétiques.
Impact technologique
Les découvertes de l’équipe, publiées dans la revue Nature, reflètent non seulement les progrès réalisés dans la précision de la chronométrie, mais ouvrent également la porte à des systèmes de navigation tels que le GPS pour devenir encore plus précis, ainsi qu’à une synchronisation accrue des réseaux de communication et à une plus grande précision. des mesures de la forme et du champ gravitationnel de la Terre sont réalisées.
Le chat de Schrödinger, initialement considéré comme une simple expérience de pensée, 89 ans après sa formulation, contribue à repousser la technologie de mesure du temps vers de nouvelles frontières.
Référence
Portes multi-qubits et états catastrophiques de Schrödinger dans une horloge optique. Alec Cao et coll. Nature, volume 634, pages 315-320 (2024). DOI :https://doi.org/10.1038/s41586-024-07913-z