Tomographie quantique à temps de vol d’un atome dans une pince optique

Lorsqu’il s’agit de créer des systèmes quantiques toujours plus intrigants, un besoin constant est de trouver de nouvelles façons de les observer dans un large éventail de scénarios physiques. La boursière JILA Cindy Regal et la boursière JILA et NIST Ana Maria Rey se sont associées à Oriol Romero-Isart de l’Université d’Innsbruck et IQOQI pour montrer qu’une particule piégée sous la forme d’un atome révèle facilement son état quantique complet avec des ingrédients assez simples, ouvrant des opportunités pour l’étude de l’état quantique de particules de plus en plus grosses.

Dans le domaine quantique, un atome ne se comporte pas comme une particule ponctuelle ; au lieu de cela, il se comporte davantage comme une vague. Ses propriétés (par exemple, sa position et sa vitesse) sont décrites en termes de ce qu’on appelle la fonction d’onde de l’atome. Une façon d’en savoir plus sur la fonction d’onde d’une particule est de laisser l’atome voler, puis de capturer son emplacement avec une caméra.

Et avec les bonnes astuces, des images peuvent être prises de l’état quantique de la particule à partir de nombreux points de vue, ce qui donne ce que l’on appelle la tomographie quantique (« tomo » signifiant en grec tranche ou section, et « graphie » signifiant décrire ou enregistrer). Dans l’ouvrage publié dans Physique naturelle, les auteurs ont utilisé un atome de rubidium placé soigneusement dans un état spécifique de son mouvement dans un faisceau laser étroitement focalisé, connu sous le nom de pince optique. Et ils ont pu l’observer depuis de nombreux points de vue en le faisant évoluer dans la pince optique dans le temps. Comme une balle roulant dans un bol, à différents moments la vitesse et l’emplacement de l’échange de particules, et en prenant des photos au bon moment pendant une bobine vidéo de la balle, de nombreux avantages de l’état de la particule peuvent être révélés.

Les chercheurs ont utilisé plusieurs images de caméras à temps de vol comme outil de tomographie et ont reconstruit l’état quantique de leur atome piégé sans aucune autre aide. La tomographie quantique a révélé des caractéristiques que l’on ne trouverait pas pour un atome dans un état classique, mais cela nécessitait à la place une véritable description quantique pour comprendre les modèles mesurés combinés.

Particules volantes

Les atomes qui sont piégés et se comportent mécaniquement quantique ne sont pas nouveaux pour JILA, et le temps de vol est un moyen par lequel les expérimentateurs apprennent souvent la propagation de l’impulsion d’une collection d’atomes.

L’une des raisons pour lesquelles les chercheurs ont commencé à penser à cette expérience avec un seul atome était en fait le résultat de protocoles proposés pour les grosses particules piégées, où de nombreux atomes dans un solide sont collés ensemble, se déplaçant comme un seul. « Les nanoparticules sont des objets solides contenant des milliards d’atomes et peuvent être utilisées pour tester la mécanique quantique à grande échelle », a expliqué Oriol Romero-Isart. « Certaines des idées et des protocoles que nous avons théoriquement conçus dans ce contexte peuvent être testés avec des atomes uniques, en utilisant le contrôle exquis que l’équipe de Cindy Regal a avec des atomes uniques dans leur laboratoire. »

Romero-Isart a proposé dans un article de 2011 que le temps de vol combiné au fait de laisser une seule particule rouler de manière cohérente dans un piège pourrait entraîner une tomographie quantique complète. Et, contrairement à de nombreuses techniques souvent utilisées pour la tomographie quantique, elle serait applicable à n’importe quelle particule, à condition qu’elle puisse être vue sur une caméra.

« La tomographie quantique a été réalisée de différentes manières pour une variété de particules et de systèmes », a expliqué Regal. La technique utilisée par les chercheurs, cependant, est d’une simplicité intrigante car il suffit d’attendre le bon moment pendant la bobine vidéo et de laisser l’atome voler.

« La tomographie quantique est un protocole qui vise à déterminer l’état quantique complet d’un système », a expliqué Ana Maria Rey, membre du JILA et du NIST. Comme l’a ajouté Romero-Isart : « puisqu’en mécanique quantique une seule mesure perturbe l’état du système, la tomographie quantique nécessite la capacité de répéter l’expérience dans des conditions identiques. »

Regal, Rey et Romero-Isart ont cherché à savoir si un piège à pince optique était une plate-forme suffisamment contrôlée pour voir un comportement quantique prouvable pour une seule particule, la particule unique étant un atome pour ces expériences, en utilisant la bobine vidéo proposée par Romero-Isart. technique

Utilisation de la caméra

À l’aide des pincettes optiques, Cindy Regal et son équipe ont pu enregistrer le temps de vol de l’atome après avoir libéré l’atome du piège. « Pour cette expérience, nous avons examiné les atomes de rubidium », a ajouté Regal. « Ce que nous faisons, c’est créer de nombreux atomes uniques identiques, environ 60 000 fois, créant à chaque fois l’atome nominalement dans le même état. » En répétant cela encore et encore, les chercheurs ont pu créer un type d’image qui révèle la vitesse, ou l’élan, de l’atome au moment où il a été libéré du piège.

« Imaginez, par exemple, une particule qui a une très faible impulsion », a postulé Rey, « Si nous la relâchons, alors la particule bougera à peine et nous la trouverons très proche de sa position initiale après l’évolution du temps. D’un autre côté, une particule très énergétique se déplacera très vite après l’avoir libérée du piège, et nous la retrouverons très loin.Ainsi, la carte des positions des particules après un long temps d’évolution nous permet de déterminer la quantité de mouvement à l’instant de libération. »

L’appareil photo utilisé pour prendre ces images était différent de ce que Regal utilisait dans le passé pour aider à créer ces images informatives. « Parce que nous avons dû prendre des images des atomes rapidement pendant leur vol, il est important de capturer autant de photons de l’atome que possible et d’optimiser la caméra pour un faible bruit », a déclaré Regal.

Une nouvelle bobine vidéo est ensuite prise en répétant à nouveau la séquence d’expérience, mais en capturant le système à un moment différent dans la bobine vidéo de la pince optique.

Imagerie des états quantiques

En utilisant toutes les images de la bobine vidéo, l’équipe a pu alors estimer les états quantiques de l’atome. « Une contribution clé de la théorie a été de pouvoir reconstruire ce qu’on appelle la fonction de Wigner de l’état (qui relie la fonction d’onde d’un état quantique à une distribution de probabilité dans l’espace position-impulsion) à partir de mesures expérimentales », a expliqué Rey.

« L’un des principaux résultats des travaux a été de préparer l’atome dans un état entièrement quantique et ne pouvant admettre une description classique », a ajouté Rey. « Nous avons pu démontrer que même en tenant compte des petites imperfections et des erreurs systématiques inévitables dans l’expérience, l’état conserve une fonction de Wigner négative qui ne peut se produire que pour de véritables états quantiques. »

La capacité de préparer et de mesurer une fonction d’onde d’un seul atome présentant une fonction de Wigner négative a révélé le succès du protocole quantique mis en œuvre par les chercheurs. L’idée de mesure sera utile pour comparer les performances du contrôle d’état quantique dans les pincettes optiques, ce qui est de plus en plus important pour l’informatique quantique et la métrologie dans les réseaux d’atomes neutres.

Comme une grande partie de la physique quantique tourne autour de l’isolement et de la manipulation d’états atomiques, les résultats de cette expérience offrent de nouvelles pistes prometteuses pour de nouvelles explorations. « Il y a des directions passionnantes à venir », a déclaré Rey. Regal, Rey et Romero-Isart poursuivront leur collaboration non seulement en établissant des parallèles entre la façon dont on imagine les états quantiques des particules neutres, mais aussi en créant des états quantiques de mouvement arbitraires et en élargissant les concepts à plus de pièges et plus d’atomes. Ces explorations repousseront encore les limites du contrôle quantique offert par les pincettes optiques.