Technologie quantique: les ondes de matière maitrisées

Publié par Adrien le 27/11/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
Des chercheurs et des chercheuses sont parvenus à manipuler précisément et simplement des nuages d'atomes ultrafroids, des condensats de Bose-Einstein, à l'aide d'un réseau optique commandé par un algorithme de contrôle optimal.

La physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...) a révélé le comportement contre-intuitif de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) à l'échelle atomique. Désormais, le développement des technologies quantiques tente de maîtriser ce comportement pour construire des appareils de mesure ou de calcul quantique aux performances inégalables par la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) classique. La maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) de la préparation des états quantiques grâce à des techniques de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) quantique constitue un élément clé pour cela.


La maîtrise des chaînes de condensat permet de produire à volonté des lignes de points faites de nuages atomiques, avec lesquelles on peut former des lettres, puis des mots.

C'est sur cet aspect que des physiciens et des physiciennes du Laboratoire collisions agrégats réactivité (LCAR, CNRS/Univ. Toulouse - Paul Sabatier) et du Laboratoire interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) Carnot de Bourgogne (ICB, CNRS/COMUE Univ. Bourgogne Franche-Comté) publient de nouveaux résultats dans PRX Quantum. En utilisant une nouvelle façon de manipuler un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) un condensat de Bose-Einstein (Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une...), ils démontrent la possibilité de préparer à volonté un état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il...) où les atomes de cette onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) de matière sont dans une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) choisie de plusieurs vitesses distinctes, avec l'atout majeur de ne jouer que sur un seul paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...), alors qu'il en fallait au moins deux jusqu'à présent.

Pour cela, les atomes ultrafroids sont placés dans une structure périodique de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...). En utilisant un algorithme de contrôle optimal, technique issue de l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...), les chercheurs calculent comment faire aller d'avant en arrière le réseau de façon idéale, afin d'amener l'onde de matière dans l'état quantique souhaité. A la fin de la manipulation, les atomes se trouvent dans une superposition de vitesses, multiples d'une vitesse (On distingue :) élémentaire, et cette superposition peut être visualisée comme une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de petits nuages atomiques (figure).

Cette technique offre une approche générale pour la préparation d'états quantiques dans les réseaux optiques, qui peut s'appliquer dans plusieurs domaines. Par exemple, dans les expériences de simulation quantique, les atomes dans le réseau périodique jouent le rôle d'électrons pour étudier des problèmes en matière condensée. Dans les expériences de métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.) quantique, des nuages atomiques de vitesses différentes peuvent interférer entre eux, et servir ainsi à la mesure d'une grandeur physique (Une grandeur physique est un ensemble d'unités de mesure, de variables, d'ordres de grandeur et de...) avec précision.

Référence:
Quantum State Control of a Bose-Einstein Condensate in an Optical Lattice
N. Dupont (DuPont, de son nom complet E.I. du Pont de Nemours et compagnie, est une entreprise...), G. Chatelain, L. Gabardos, M. Arnal, J. Billy, B. Peaudecerf, D. Sugny, and D. Guéry-Odelin, PRX Quantum, paru le 05 octobre 2021.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.2.040303.
Disponible sur les bases d'archives ouvertes arXiv.
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