Appliquer la mécanique quantique aux systèmes complexes
La mécanique quantique décrit les propriétés stupéfiantes de la nature à l’échelle microscopique. Dans ce monde, par exemple, les scientifiques ont montré qu’une particule peut se trouver dans une superposition de deux états à la fois. «Cela signifie qu’une particule – comme un électron – peut en quelque sorte être à la fois ici et là, en même temps», explique Angelo Bassi, coordinateur du projet TEQ, de l’université de Trieste, en Italie. «Plus précisément, c’est ce qui arrive à la fonction d’onde décrivant la particule. Comme les vagues de l’océan, ces ondes mathématiques se séparent, et lorsqu’elles se recombinent, elles interfèrent les unes avec les autres. Les scientifiques peuvent conclure, à partir de cette interférence, qu’elles ont été à un moment donné séparées, puis réunies à nouveau.»
Questions sur la théorie quantique
Les scientifiques sont donc convaincus que les particules élémentaires, les atomes et même certaines molécules plus complexes, peuvent exister dans cet état quantique. Mais que se passe-t-il lorsque nous continuons à remonter l’échelle microscopique jusqu’à des systèmes encore plus grands et plus complexes? Pourrions-nous exister dans un état quantique? Et si non, pourquoi? «La théorie quantique laisse entendre que c’est possible», ajoute Angelo Bassi. «Une question clé est donc de savoir s’il existe un certain point où la mécanique quantique ne fonctionne plus.» Cela renvoie à la célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger, dans laquelle un hypothétique chat invisible peut être considéré simultanément comme vivant et mort à la suite d’une action qui peut ou non s’être produite.
Effondrement de la fonction d’onde
La contribution du projet TEQ à cette question a été d’aller au-delà de l’état actuel de la techniques dans les expériences quantiques. Les physiciens quantiques ont tendance à regarder si une particule isolée présente le type d’interférence d’ondes mentionné ci-dessus. S’il y a interférence, les chercheurs peuvent en déduire que la particule a été en superposition. «Le défi est d’y parvenir avec des systèmes de plus en plus complexes», note Angelo Bassi. «Il est technologiquement très difficile de créer et de contrôler la superposition en isolant toutes les interférences environnantes». Pour résoudre ce problème, le projet TEQ a adopté une nouvelle stratégie. L’équipe a appliqué des modèles connus sous le nom d’effondrement spontané de la fonction d’onde pour prévoir le moment où la mécanique quantique s’effondre. Cela suppose qu’un certain «bruit» est généré lorsque la superposition s’effondre. «Au lieu de chercher la superposition, nous avons mis au point une nouvelle expérience pour détecter ce "bruit"», explique Angelo Bassi. Pour ce faire, l’équipe du projet a piégé des nanocristaux refroidis, et les a manipulés pour détecter le moindre mouvement. Si un mouvement était détecté, les scientifiques sauraient que du «bruit» avait été généré.
Mesurer la gravité quantique
La principale réussite du projet TEQ a été de démontrer qu’une telle expérience était réalisable. Cela a ouvert la porte à de nouvelles possibilités passionnantes dans le domaine de l’expérimentation quantique. «Nous continuerons à mesurer ce bruit et à améliorer la sensibilité de l’expérience», remarque-t-il. «Cette approche nous permettra d’analyser le bruit des signaux de plus en plus faibles.» L’idée est de pouvoir tester des systèmes plus grands et plus complexes, et de combler ainsi le fossé avec le monde macroscopique. L’équipe du projet TEQ a également pu démontrer la sensibilité incomparable de son innovation à énergie quantique. Cela pourrait conduire à de nouvelles expériences intéressantes visant à mesurer de nouveaux phénomènes liés à la gravité. «Nous savons très peu de choses sur le comportement gravitationnel dans l’état quantique réel», déclare Angelo Bassi. «La gravité est en fait une force très faible, et il faut un capteur extrêmement performant pour la mesurer. Nous sommes très intéressés par l’application de ce capteur pour répondre aux questions relatives à la gravité.»
Mots‑clés
TEQ, mécanique quantique, microscopique, gravité, électron, atome, superposition