La pratique de la mesure du temps repose sur des oscillations stables. Dans une horloge grand-père, la durée d’une seconde est marquée par un seul mouvement du pendule. Dans une montre numérique, les vibrations d’un cristal de quartz marquent des fractions de temps beaucoup plus petites. Et dans les horloges atomiques, les chronométreurs les plus modernes au monde, les oscillations d’un faisceau laser stimulent les atomes à vibrer à 9,2 milliards de fois par seconde. Ces divisions de temps les plus petites et les plus stables déterminent le timing des communications par satellite, des systèmes GPS et des marchés financiers d’aujourd’hui.
La stabilité d’une horloge dépend du bruit de son environnement. Un léger vent peut désynchroniser l’oscillation d’un pendule. Et la chaleur peut perturber les oscillations des atomes dans une horloge atomique. L’élimination de ces effets environnementaux peut améliorer la précision d’une horloge. Mais seulement dans une certaine mesure.
Une nouvelle étude du MIT révèle que même si tout bruit provenant du monde extérieur était éliminé, la stabilité des horloges, des faisceaux laser et autres oscillateurs resterait vulnérable aux effets de la mécanique quantique. La précision des oscillateurs serait finalement limitée par le bruit quantique.
Mais en théorie, il existe un moyen de dépasser cette limite quantique. Dans leur étude, les chercheurs montrent également qu’en manipulant, ou en « comprimant », les états qui contribuent au bruit quantique, la stabilité d’un oscillateur pourrait être améliorée, même au-delà de sa limite quantique.
« Ce que nous avons montré, c’est qu’il y a en fait une limite à la stabilité des oscillateurs comme les lasers et les horloges, qui n’est pas seulement fixée par leur environnement, mais aussi par le fait que la mécanique quantique les oblige à trembler un peu », explique Vivishek. Sudhir, professeur adjoint de génie mécanique au MIT. « Ensuite, nous avons montré qu’il existe des moyens de contourner ce tremblement de la mécanique quantique. Mais vous devez être plus intelligent que simplement isoler la chose de son environnement. Vous devez jouer avec les états quantiques eux-mêmes. »
L’équipe travaille sur un test expérimental de leur théorie. S’ils peuvent démontrer qu’ils peuvent manipuler les états quantiques dans un système oscillant, les chercheurs envisagent que les horloges, les lasers et autres oscillateurs pourraient être réglés avec une précision super-quantique. Ces systèmes pourraient ensuite être utilisés pour suivre des différences temporelles infinitésimales, telles que les fluctuations d’un seul qubit dans un ordinateur quantique ou la présence d’une particule de matière noire voltigeant entre les détecteurs.
« Nous prévoyons de démontrer plusieurs cas de lasers dotés d’une capacité de chronométrage améliorée au cours des prochaines années », déclare Hudson Loughlin, étudiant diplômé du département de physique du MIT. « Nous espérons que nos récents développements théoriques et nos expériences à venir feront progresser notre capacité fondamentale à conserver l’heure avec précision et permettront de nouvelles technologies révolutionnaires. »
Loughlin et Sudhir détaillent leur travail dans un document en libre accès publié dans la revue Communications naturelles.
Précision laser
En étudiant la stabilité des oscillateurs, les chercheurs se sont d’abord intéressés au laser, un oscillateur optique qui produit un faisceau ondulatoire de photons hautement synchronisés. L’invention du laser est largement attribuée aux physiciens Arthur Schawlow et Charles Townes, qui ont inventé le nom à partir de son acronyme descriptif : amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement.
La conception d’un laser est centrée sur un « support laser » : un ensemble d’atomes, généralement intégrés dans du verre ou des cristaux. Dans les premiers lasers, un tube flash entourant le milieu laser stimulerait les électrons des atomes pour qu’ils montent en énergie. Lorsque les électrons reviennent à une énergie inférieure, ils émettent un rayonnement sous forme de photon.
Deux miroirs, à chaque extrémité du milieu laser, réfléchissent le photon émis dans les atomes pour stimuler plus d’électrons et produire plus de photons. Un miroir, avec le milieu laser, agit comme un « amplificateur » pour stimuler la production de photons, tandis que le deuxième miroir est partiellement transmissif et agit comme un « coupleur » pour extraire certains photons sous forme d’un faisceau concentré de lumière laser.
Depuis l’invention du laser, Schawlow et Townes ont émis l’hypothèse que la stabilité d’un laser devrait être limitée par le bruit quantique. D’autres ont depuis testé leur hypothèse en modélisant les caractéristiques microscopiques d’un laser. Grâce à des calculs très précis, ils ont montré qu’en effet, des interactions quantiques imperceptibles entre les photons et les atomes du laser pouvaient limiter la stabilité de leurs oscillations.
« Mais ce travail nécessitait des calculs extrêmement détaillés et délicats, de sorte que la limite était comprise, mais uniquement pour un type spécifique de laser », note Sudhir. « Nous voulions énormément simplifier cela, comprendre les lasers et une large gamme d’oscillateurs. »
Mettre la « pression » sur
Plutôt que de se concentrer sur les subtilités physiques d’un laser, l’équipe a cherché à simplifier le problème.
« Lorsqu’un ingénieur électricien envisage de fabriquer un oscillateur, il prend un amplificateur et alimente la sortie de l’amplificateur dans sa propre entrée », explique Sudhir. « C’est comme un serpent qui se mange la queue. C’est une façon de penser extrêmement libératrice. Vous n’avez pas besoin de connaître les détails d’un laser. Au lieu de cela, vous avez une image abstraite, pas seulement d’un laser, mais de tous les oscillateurs. « .
Dans leur étude, l’équipe a élaboré une représentation simplifiée d’un oscillateur de type laser. Leur modèle se compose d’un amplificateur (comme les atomes d’un laser), d’une ligne à retard (par exemple, le temps nécessaire à la lumière pour voyager entre les miroirs d’un laser) et d’un coupleur (comme un miroir partiellement réfléchissant).
L’équipe a ensuite écrit les équations physiques qui décrivent le comportement du système et effectué des calculs pour voir où le bruit quantique pourrait apparaître dans le système.
« En résumant ce problème à un simple oscillateur, nous pouvons identifier où les fluctuations quantiques entrent dans le système, et elles interviennent à deux endroits : l’amplificateur et le coupleur qui nous permet d’extraire un signal de l’oscillateur », explique Loughlin. « Si nous connaissons ces deux choses, nous savons quelle est la limite quantique de la stabilité de cet oscillateur. »
Sudhir affirme que les scientifiques peuvent utiliser les équations qu’ils présentent dans leur étude pour calculer la limite quantique de leurs propres oscillateurs.
De plus, l’équipe a montré que cette limite quantique pourrait être surmontée si le bruit quantique dans l’une des deux sources pouvait être « comprimé ». La compression quantique est l’idée de minimiser les fluctuations quantiques dans un aspect d’un système au détriment d’augmentations proportionnelles des fluctuations dans un autre aspect. L’effet est similaire à celui de presser l’air d’une partie d’un ballon vers une autre.
Dans le cas d’un laser, l’équipe a découvert que si les fluctuations quantiques dans le coupleur étaient réduites, cela pourrait améliorer la précision, ou le timing des oscillations, dans le faisceau laser sortant, même si le bruit dans la puissance du laser augmenterait en conséquence. .
« Lorsque vous trouvez une limite mécanique quantique, vous vous demandez toujours dans quelle mesure cette limite est-elle malléable? » dit Sudhir. « Est-ce vraiment un arrêt brutal, ou y a-t-il encore un peu de jus que vous pouvez extraire en manipulant de la mécanique quantique ? Dans ce cas, nous constatons que c’est le cas, ce qui est un résultat applicable à une vaste classe d’oscillateurs. »
Plus d’information:
Hudson A. Loughlin et al, Le bruit quantique et son évasion dans les oscillateurs à rétroaction, Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-42739-9
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.