« Vraiment, vraiment bizarre » : des physiciens enchevêtrent pour la première fois deux atomes en mouvement, validant ainsi une théorie quantique « effrayante »

Pour la première fois, des scientifiques ont observé une intrication quantique dans la façon dont les atomes se déplacent physiquement, ce qui amène un phénomène autrefois décrit par Albert Einstein comme une « action effrayante à distance » dans une réalité encore plus nette.

Dans la nouvelle étude, publiée dans la revue Communications naturellesles chercheurs ont démontré que des paires d’atomes d’hélium ultra-froids peuvent être liées mécaniquement quantiquement grâce à leur élan – une mesure de la vitesse et de la direction dans laquelle une particule se déplace, en tenant compte de sa masse.

L’intrication quantique est l’une des caractéristiques les plus étranges de mécanique quantique. Lorsque deux particules sont intriquées, la mesure de l’une affecte instantanément l’autre. Les scientifiques l’avaient déjà démontré dans les photons (paquets de lumière) et dans les états de spin internes des atomes, mais jamais dans le mouvement des particules ayant une masse. Ceci est important car les atomes ont une masse et la masse réagit à la gravité ; Ce n’est pas le cas des photons. Les atomes intriqués par l’impulsion pourraient un jour alimenter des capteurs quantiques suffisamment précis pour détecter des ondulations spatio-temporelles appelées ondes gravitationnelles ou pour cartographier l’intérieur de la Terre.

Des scientifiques observent pour la première fois des atomes existant à deux endroits à la fois – YouTube

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Prendre en flagrant délit

Premièrement, l’équipe a choisi l’hélium comme atome, car il peut être maintenu dans un état excité de longue durée avec une durée de vie d’environ deux heures – ce qui est « essentiellement infini » dans des expériences qui ne durent que 20 à 30 secondes. Sean Hodgmanphysicien expérimental à l’Université nationale australienne et auteur principal de l’étude, a déclaré à Live Science. Cette énergie interne signifie que chaque atome heurte un détecteur avec suffisamment de force pour s’enregistrer individuellement. Cela permet à l’équipe de reconstruire l’intégralité de l’élan tridimensionnel du nuage avec une résolution d’un seul atome.

Pour créer des paires d’atomes intriqués par l’impulsion, l’équipe a commencé avec un nuage d’hélium refroidi à un niveau proche du zéro absolu. Normalement, les atomes se déplacent indépendamment. Mais si vous les refroidissez suffisamment, ils ralentissent jusqu’à s’arrêter presque. Leurs identités quantiques se fondent en un seul objet collectif appelé Condensat de Bose-Einstein.

Pour prouver que l’enchevêtrement était réel, l’équipe a utilisé un appareil appelé interféromètre Rarity-Tapster. Cette méthode, démontrée pour la première fois avec des photons en 1990, s’est désormais étendue pour la première fois aux ondes de matière.

« Les atomes se dispersent, puis vous les réfléchissez sur eux-mêmes et interférez avec eux ensemble », a expliqué Hodgman. « L’interférence ne se produit que si l’atome est réellement dans une superposition des deux états. » Les corrélations mesurées par l’équipe ne peuvent être expliquées par aucune théorie classique.

Pour obtenir leur résultat final, l’équipe a collecté des données en continu pendant près d’un mois et a passé un mois à un an à mettre en place l’expérience.

« Cela constitue en quelque sorte un objectif à long terme pour notre laboratoire depuis probablement une vingtaine d’années », a déclaré Hodgman. « Pouvoir enfin le démontrer est vraiment excitant. »

Une victoire surréaliste pour la mécanique quantique

Le résultat, bien que passionnant, a principalement servi à valider les théories de physique « classiques », a ajouté Hodgman. La mécanique quantique prédit exactement ce type de comportement, mais cela ne le rend pas moins désorientant.

« Notre cerveau n’est pas vraiment équipé pour le traiter », a ajouté Hodgman. « Les atomes apparaissent comme étalés à petite échelle, pas comme des gouttes de béton ou des petites boules. Et cela semble vraiment, vraiment bizarre. »

L’équipe travaille déjà sur une version plus performante du test. Mais l’expérience décrite par Hodgman comme la prochaine étape la plus importante implique la collision de deux isotopes de l’hélium – l’hélium-3 et l’hélium-4, qui sont des types de particules fondamentalement différents – pour créer des paires intriquées simultanément dans l’impulsion et la masse.

« D’un point de vue gravitationnel quantique, comment peut-on même écrire la description gravitationnelle de ce type d’état ? » dit Hodgman. « Vous ne pouvez pas vraiment le décrire dans un cadre de relativité générale. Ce type d’état constituerait un véritable défi à expliquer pour les théories de la gravité quantique. »

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