Les physiciens ont mesuré à la fois l’élan et la position d’une particule sans casser le principe de l’incertitude emblématique de Heisenberg.
Dans mécanique quantiqueles particules n’ont pas de propriétés fixes comme le font les objets quotidiens. Au lieu de cela, ils existent dans une brume de possibilités jusqu’à ce qu’ils soient mesurés. Et lorsque certaines propriétés sont mesurées, d’autres deviennent incertaines. Selon l’incertitude de Heisenberg, il n’est pas possible de connaître la position exacte d’une particule et son élan exact en même temps.
« Vous ne pouvez pas violer le principe de l’incertitude de Heisenberg, » Christophe Valahuphysicien à l’Université de Sydney et auteur principal de l’étude, a déclaré à Live Science. « Ce que nous faisons, c’est changer l’incertitude. Nous jetons certaines informations dont nous n’avons pas besoin, nous pouvons donc mesurer ce dont nous nous soucions avec une précision beaucoup plus grande. »
L’astuce pour Valahu et son équipe était, au lieu de mesurer directement l’élan et la position, pour mesurer l’élan modulaire et la position modulaire – qui capturent les changements relatifs de ces quantités à l’échelle fixe, plutôt que leurs valeurs absolues.
« Imaginez que vous avez une règle. Si vous mesurez simplement la position de quelque chose, vous liriez combien de centimètres dans, puis combien de millimètres ont dépassé cela. » Dit Valahu. « Mais dans une mesure modulaire, vous ne vous souciez pas du centimètre dans lequel vous vous trouvez. Vous vous souciez seulement du nombre de millimètres que vous êtes de la dernière marque. Vous jetez l’emplacement général et gardez simplement les petits changements. »
Valahu a déclaré que ce type de mesure est important dans les scénarios de détection quantique, car l’objectif est souvent de détecter les minuscules changements causés par des forces ou des champs faibles. La détection quantique est utilisée pour ramasser des signaux que les instruments ordinaires manquent souvent. Ce niveau de précision pourrait un jour rendre nos outils de navigation plus fiables et nos horloges encore plus précises.
En laboratoire, l’équipe s’est transformée en un seul ion piégé – un atome chargé seul tenu en place par champs électromagnétiques. Ils ont utilisé des lasers accordés pour amadouer l’ion dans un motif quantique appelé état de grille.
Dans un état de grille, la fonction d’onde de l’ion est répartie dans une série de pics uniformément espacés, comme les marques sur une règle. L’incertitude est concentrée dans les espaces entre les marques. Les chercheurs ont utilisé les pics comme points de référence: lorsqu’une petite force pousse l’ion, tout le motif de la grille se déplace légèrement. Un petit décalage latéral des pics apparaît comme un changement de position, tandis qu’une inclinaison dans le motif de la grille reflète un changement d’élan. Étant donné que la mesure ne se soucie que des changements par rapport aux pics, les changements de position et de momentum peuvent être lus en même temps.
C’est là que la force entre en jeu. En physique, une force est ce qui fait que l’élan change avec le temps et la position pour se déplacer. En regardant comment le schéma de la grille s’est déplacé, les chercheurs ont mesuré la petite poussée agissant sur l’ion.
La force d’environ 10 yoctonewtons (10-23 newtons) n’est pas un record du monde. « Les gens ont battu cela par environ deux ordres de grandeur, mais ils utilisent d’énormes cristaux dans des expériences très grandes et coûteuses. » Valahu a déclaré à Live Science. « La raison pour laquelle nous sommes excités est que nous pouvons obtenir de très bonnes sensibilités en utilisant un seul atome dans un piège qui n’est pas si complexe, et est quelque peu évolutif. »
Même si la force obtenue n’est pas la plus basse, cela prouve que les scientifiques peuvent obtenir des sensibilités très extrêmes à partir de configurations très basiques. La capacité de détecter de minuscules changements a de grandes implications à travers la science et la technologie. Les capteurs quantiques ultra-précis pourraient améliorer la navigation dans des endroits où le GPS n’atteint pas, comme sous l’eau, sous terre ou dans l’espace. Il pourrait également améliorer l’imagerie biologique et médicale.
« Tout comme les horloges atomiques ont révolutionné la navigation et les télécommunications, des capteurs améliorés quantiques avec une sensibilité extrême pourraient ouvrir la porte à des industries entièrement nouvelles », a déclaré Valahu déclaration.
