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Laser atomique et état quantique comprimé pour plus de précisions !

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Les lasers atomiques sont encore des objets de laboratoires difficiles à mettre en œuvre. Leur existence n'est cependant pas surprenante car, en raison de l'universalité de la dualité onde-corpuscule, fabriquer un faisceau d'ondes cohérentes avec des ondes de matières, et non plus des ondes lumineuses, doit être possible pourvue que l'on emploie des bosons et non pas des fermions. De tels lasers devraient surpasser leurs cousins photoniques pour les mesures précises en physique, surtout si l'on peut produire avec eux des états comprimés. On sait déjà le faire en optique et Mattias Johnsson et son collègue Simon Haine viennent de publier un papier expliquant comment s'y prendre avec les faisceaux d'atomes.

Images de lasers atomiques (Crédit :ARC Centre of Excellence for Quantum-Atom Optics (ACQAO) )

La lumière comprimée est un sujet fascinant pour les physiciens car elle permet d'étudier les fluctuations quantiques au cœur de la théorie des champs. Ce qu'on appelle les états quantiques comprimés se retrouvent même dans la description du rayonnement des trous noirs.

L'intérêt des sources de lumière comprimée n'est pas que théorique. Les fluctuations quantiques de la lumière dans certains dispositifs de mesures fines, et surtout dans les fibres optiques utilisées pour les télécommunications, peuvent être des causes de perturbations gênantes, dégradant le signal que l'on veut mesurer ou l'information que l'on veut transmettre. C'est pourquoi les moyens d'obtenir des états comprimés de la lumière sont étudiés depuis plus de 15 ans.

Qu’est-ce qu’un état quantique comprimé ?

Pour le comprendre, il suffit de considérer le mouvement oscillatoire d'un électron créant une onde électromagnétique. La position x(t) d'un tel électron est donnée de façon simple par la relation suivante:

 

où A est l'amplitude de l'oscillation,  sa pulsation et  sa phase. De même, l'onde électromagnétique émise par un tel oscillateur mettra en mouvement un autre électron de la même façon en un point de l'espace et c'est ainsi que l'on définit et mesure l'existence d'un champ électromagnétique dans l'espace et le temps.

Une modification de cette image simple apparaît lorsque l'on veut tenir compte du fait que les électrons et la lumière ne sont en fait pas des objets classiques mais bien quantiques. La position q et la quantité de mouvement p de l'électron doivent, si l'on veut continuer à employer une image classique, être limitées par le flou quantique des inégalités de Heisenberg :

Cela se traduit par un flou correspondant de l'amplitude A et de la phase dont les fluctuations de valeur  et  doivent vérifier une inégalité similaire à la précédente, bien connue, pour la position et la quantité de mouvement d'une particule.

On obtient alors la situation décrite par les schémas ci-dessous :

(Crédit : Gerd Breitenbach).

Le mouvement sinusoïdal pur est modifié et il peut se voir comme affecté de fluctuation incessante de la valeur de l'amplitude et de la phase, le mouvement "réel" étant quelque part dans la zone sombre.

Plus l'amplitude de l'oscillation est grande plus l'effet relatif des fluctuations quantiques est faible et plus l'oscillation se rapprochera d'une description classique du mouvement, avec des valeurs précises de la position q et de la quantité de mouvement p.

(Crédit : Gerd Breitenbach).

Un état comprimé pour une particule est alors défini par deux choses :

- les inégalités se transforment en égalités


- il est possible de faire baisser à volonté la dispersion sur l'une des coordonnées conjuguées dans une inégalité de Heisenberg.

On peut donc « comprimer » les fluctuations quantiques pour atteindre le maximum de précision autorisé par les lois quantiques en réduisant donc le « bruit quantique moyen ».

Par exemple, l'amplitude A d'une onde électromagnétique est reliée à la probabilité de trouver un nombre donné de photons par unité de temps en un point de l'espace. Si l'incertitude sur le nombre de photons présents est de 20 photons/s alors que l'effet fin que l'on cherche à mesurer exige une précision meilleure que 5 photons/s, clairement on a un problème.

La recherche d'états comprimés est précisément le moyen d'avoir un contrôle sur cette incertitude lors de mesures fines. On peut citer, comme exemple de mesures fines pouvant profiter des états comprimés, la détection des ondes gravitationnelles.

Il faut savoir que les états comprimés produits avec de la lumière laser sont obtenus grâce à des dispositifs d'optique non linéaire. L'article que les deux chercheurs australiens ont publié dans Physical Review Letters, et intitulé "Generating Squeezing in an Atom Laser through Self-Interaction", propose lui aussi d'utiliser des effets de couplage non linéaire mais dans les lasers atomiques.

Selon eux, l'obtention d'états comprimés serait bien plus facile que dans le cas des lasers photoniques. Cependant, l'effet de compression ne semble pas bien stable selon leurs équations à ce stade, un problème qu'il faudra régler si l'expérience valide leur approche.

Si cela marche, bien des expériences sur le monde quantique, comme l'effet EPR, ou des mesures fines, comme celles de la possible variation dans le temps de certaines constantes fondamentales, pourraient être refaites avec une précision bien meilleure.