De nouveaux outils quantiques pour des mesures de précision
Hier et encore aujourd'hui, l'interférométrie est l'une des techniques de mesure les plus puissantes et précises pour la durée, la fréquence et les forces d'inertie. Dans un interféromètre, deux ondes sondes (de lumière ou de matière) subissent un déphasage qui engendre des interférences observables. L'interférométrie mesure cet effet afin d'estimer le déphasage avec l'incertitude la plus faible possible. Le projet QIBEC voulait étudier et mettre au point des interféromètres extrêmement précis, en exploitant les ressources du domaine quantique. «Ces interféromètres quantiques permettent d'inférer de très petites forces ou accélérations à partir de leur effet sur un condensat de Bose-Einstein (BEC), un état exotique de la matière», explique le coordinateur du projet, le Dr Augusto Smerzi du Consiglio Nazionale delle Ricerche, qui a conduit le projet. «Pour cela, nous refroidissons un gaz dilué ou des atomes appropriés à proximité du zéro absolu.» Lorsque la température est plus élevée, les atomes du gaz se déplacent et entrent en collision à très grande vitesse. Dans un condensat de Bose-Einstein, le mouvement est considérablement plus lent et bien plus ordonné. Manipuler l'intrication de plusieurs particules L'innovation du projet a été de générer et de manipuler une intrication en masse avec des condensats atomiques de Bose-Einstein. Cela a permis de réaliser des interféromètres fiables et basés sur l'intrication, à fins de mesure et de détection de forces faibles, avec une sensibilité inférieure à la limite classique du bruit quantique. «Nous voulions en fait remettre en cause l'opinion de nombreux chercheurs sur les BEC, qui estiment que ces gaz ne sont pas très utiles en métrologie à cause du petit nombre d'atomes qu'ils contiennent et du déphasage résultant de l'interaction», explique le Dr Smerzi. «À l'aide de ces condensats, nous avons utilisé de nouvelles techniques pour réduire les sources de bruit technique et plus fondamental comme les vibrations magnétiques, les variations des champs magnétiques et les pertes d'atomes.» Les chercheurs ont aussi démontré expérimentalement le fonctionnement simultané d'interféromètres pour mesurer des forces d'inertie, gravitationnelles et électromagnétiques. «Le dispositif de mesure obtenu en diluant un condensat de Bose-Einstein sur un réseau optique contrôlable, est en principe capable d'atteindre une sensibilité ponctuelle comparable à celle des meilleurs interféromètres en chute libre. Cependant, il offre en outre la possibilité de gérer le développement multipolaire (une fonction mathématique dépendant des angles, dont les champs en des points distants sont exprimés en termes de sources dans une petite région)», explique le Dr Smerzi. Le projet avait une visée purement scientifique, et ne s'est donc traduit par aucun brevet ni commercialisation. Cependant, ses travaux pourraient conduire à des applications pratiques. Le Dr Smerzi souligne: «On peut imaginer des interféromètres microscopiques piégés, susceptibles de dépasser les meilleurs interféromètres atomiques via de mesures de longue durée et des architectures en parallèle, et conduisant à une nouvelle génération de capteurs microscopiques de forces d'inertie.» Le projet QIBEC, achevé en juillet 2015, a reçu environ 2,6 millions d'euros de l'UE.
Mots‑clés
QIBEC, BEC, condensat de Bose-Einstein, interférométrie, intrication, détection quantique, FET (Technologies futures et émergentes)
