La «  négativité quantique  » peut alimenter des mesures ultra-précises

La `` négativité quantique '' peut alimenter des mesures ultra-précises

La `` négativité quantique '' peut alimenter des mesures ultra-précises

La lumière laser quantique est projetée sur une molécule chimique que nous souhaitons mesurer. Puis la lumière passe notre filtre quantique « magique ». Ce filtre rejette beaucoup de lumière, tout en condensant toutes les informations utiles dans une lumière faible qui atteint finalement le détecteur de caméra. Crédits: Hugo Lepage

Les scientifiques ont découvert qu’une propriété physique appelée «négativité quantique» peut être utilisée pour prendre des mesures plus précises de tout, des distances moléculaires aux ondes gravitationnelles.


Les chercheurs de l’Université de Cambridge, de Harvard et du MIT ont montré que les particules quantiques peuvent transporter une quantité illimitée d’informations sur les choses avec lesquelles elles interagissent. Les résultats, rapportés dans le journal Communications de la nature, pourrait permettre des mesures beaucoup plus précises et alimenter de nouvelles technologies, telles que des microscopes ultra-précis et des ordinateurs quantiques.

La métrologie est la science des estimations et des mesures. Si vous vous êtes pesé ce matin, vous avez fait de la métrologie. De la même manière que l’informatique quantique devrait révolutionner la façon dont les calculs complexes sont effectués, la métrologie quantique, en utilisant le comportement étrange des particules subatomiques, peut révolutionner la façon dont nous mesurons les choses.

Nous sommes habitués à traiter des probabilités allant de 0% (ne se produit jamais) à 100% (se produit toujours). Cependant, pour expliquer les résultats du monde quantique, le concept de probabilité doit être élargi pour inclure ce que l’on appelle une quasi-probabilité, qui peut être négative. Cette quasi-probabilité permet d’expliquer des concepts quantiques tels que «l’action fantasmagorique à distance» d’Einstein et la dualité onde-particule dans un langage mathématique intuitif. Par exemple, la probabilité qu’un atome se trouve à une certaine position et se déplace avec une vitesse spécifique peut être un nombre négatif, tel que -5%.

On dit qu’une expérience dont l’explication nécessite des probabilités négatives possède une «négativité quantique». Les scientifiques ont maintenant montré que cette négativité quantique peut aider à prendre des mesures plus précises.

Toute métrologie a besoin de sondes, qui peuvent être de simples balances ou des thermomètres. Dans la métrologie de pointe, cependant, les sondes sont des particules quantiques, qui peuvent être contrôlées au niveau subatomique. Ces particules quantiques sont conçues pour interagir avec l’objet mesuré. Ensuite, les particules sont analysées par un appareil de détection.

En théorie, plus il y a de particules de sonde, plus le dispositif de détection dispose d’informations. Mais en pratique, il existe un plafond sur la vitesse à laquelle les dispositifs de détection peuvent analyser les particules. Il en va de même dans la vie de tous les jours: porter des lunettes de soleil peut filtrer l’excès de lumière et améliorer la vision. Mais il y a une limite au niveau de filtrage qui peut améliorer notre vision – avoir des lunettes de soleil trop sombres est préjudiciable.

«Nous avons adapté des outils de la théorie de l’information standard aux quasi-probabilités et montré que le filtrage des particules quantiques peut condenser les informations d’un million de particules en une seule», a déclaré l’auteur principal, le Dr David Arvidsson-Shukur, du laboratoire Cavendish de Cambridge, et Sarah Woodhead Fellow à Girton College. « Cela signifie que les dispositifs de détection peuvent fonctionner à leur taux d’afflux idéal tout en recevant des informations correspondant à des taux beaucoup plus élevés. Ceci est interdit selon la théorie des probabilités normales, mais la négativité quantique le permet. »

Un groupe expérimental de l’Université de Toronto a déjà commencé à développer des technologies pour utiliser ces nouveaux résultats théoriques. Leur objectif est de créer un dispositif quantique qui utilise une lumière laser à photon unique pour fournir des mesures incroyablement précises des composants optiques. Ces mesures sont essentielles pour créer de nouvelles technologies avancées, telles que les ordinateurs quantiques photoniques.

«Notre découverte ouvre de nouvelles façons passionnantes d’utiliser les phénomènes quantiques fondamentaux dans des applications du monde réel», a déclaré Arvidsson-Shukur.

La métrologie quantique peut améliorer les mesures de choses telles que les distances, les angles, les températures et les champs magnétiques. Ces mesures plus précises peuvent conduire à des technologies meilleures et plus rapides, mais aussi de meilleures ressources pour sonder la physique fondamentale et améliorer notre compréhension de l’univers. Par exemple, de nombreuses technologies reposent sur l’alignement précis des composants ou sur la capacité de détecter de petits changements dans les champs électriques ou magnétiques. Une plus grande précision dans l’alignement des miroirs peut permettre des microscopes ou des télescopes plus précis, et de meilleures façons de mesurer le champ magnétique terrestre peuvent conduire à de meilleurs outils de navigation.

La métrologie quantique est actuellement utilisée pour améliorer la précision de la détection des ondes gravitationnelles dans l’observatoire LIGO Hanford, lauréat du prix Nobel. Mais pour la majorité des applications, la métrologie quantique a été trop coûteuse et irréalisable avec la technologie actuelle. Les résultats récemment publiés offrent un moyen moins coûteux de faire de la métrologie quantique.

« Les scientifiques disent souvent qu ‘ » il n’y a pas de repas gratuit « , ce qui signifie que vous ne pouvez rien gagner si vous ne voulez pas payer le prix de calcul », a déclaré le co-auteur Aleksander Lasek, un Ph.D. candidat au laboratoire Cavendish. « Cependant, en métrologie quantique, ce prix peut être rendu arbitrairement bas. C’est très contre-intuitif et vraiment incroyable! »

Le Dr Nicole Yunger Halpern, co-auteure et chercheuse postdoctorale ITAMP à l’Université de Harvard, a déclaré: «La multiplication quotidienne fait la navette: six fois sept égale sept fois six. La théorie quantique implique une multiplication qui ne fait pas la navette. L’absence de commutation nous permet d’améliorer la métrologie utilisant la physique quantique.

«La physique quantique améliore la métrologie, le calcul, la cryptographie, etc., mais il est difficile de prouver rigoureusement que c’est le cas. Nous avons montré que la physique quantique nous permet d’extraire plus d’informations des expériences que nous ne pourrions avec la physique classique. La clé de la preuve est un version quantique des probabilités – objets mathématiques qui ressemblent à des probabilités mais peuvent prendre des valeurs négatives et non réelles.  »


Limite de précision ultime de la magnétométrie quantique à paramètres multiples


Plus d’information:
Communications de la nature (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-17559-w

Fourni par l’Université de Cambridge

Citation: La «  négativité quantique  » peut générer des mesures ultra-précises (29 juillet 2020) récupéré le 29 juillet 2020 sur https://phys.org/news/2020-07-quantum-negativity-power-ultra-precise.html

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