Résumé :
Au tennis de table ou au football, la sphère rotative à grande vitesse « balle en boucle » tracera une trajectoire courbe en raison des différences de flux d'air. Ce phénomène classique de la physique s’appelle l’effet Magnus. Récemment, une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse a publié un article dans la revue académique Physical Review Letters, annonçant que, pour la première fois, «l'effet optique Magnus» correspondant avait été directement observé à l'aide de lasers et d'ions uniques à une échelle extrêmement microscopique.
Ce phénomène révèle qu'il existe un minuscule décalage latéral de plusieurs centaines de nanomètres au point d'interaction forte entre le laser hautement focalisé et le qubit. Cette découverte a une valeur scientifique importante pour améliorer la précision du contrôle des ordinateurs quantiques à pièges à ions.
Normalement, on pense intuitivement que l'intensité lumineuse est la plus forte au centre du faisceau laser, et que l'interaction avec les atomes devrait également être la plus intense au centre du faisceau. Cependant, lorsque la lumière laser est focalisée de manière extrêmement étroite, la structure de son champ électromagnétique spatial subit un remodelage microscopique complexe. Des physiciens théoriciens de l'Université d'Amsterdam ont prédit il y a quelques années que ce changement dans le champ des ondes lumineuses ferait que le point d'interaction le plus fort entre le laser et les atomes ne tomberait pas au centre de la tache lumineuse, mais légèrement sur le côté, ce qui se manifesterait par l'effet Magnus au niveau optique.
Afin de capturer ce phénomène physique extrêmement faible dans l'expérience, l'équipe de recherche a utilisé des champs électromagnétiques pour immobiliser des ions calcium uniques dans un piège à ions dans une chambre à ultra-vide. En informatique quantique, les ions piégés sont souvent utilisés comme qubits pour effectuer des calculs, et les impulsions laser finement réglées constituent l’outil central pour modifier leurs états quantiques. Au cours de l'expérience, les chercheurs ont déplacé un faisceau laser hautement focalisé par rapport aux ions calcium et ont mesuré avec précision l'intensité de l'interaction entre les ions et le champ lumineux à différentes coordonnées spatiales. En utilisant des ions calcium comme sonde microscopique, ils ont réussi à mesurer un minuscule déplacement latéral de quelques centaines de nanomètres seulement.
L'expérience a également révélé une propriété physique inattendue : l'ampleur exacte de ce déplacement latéral dépend uniquement de la longueur d'onde du laser utilisé, et non de la précision de la focalisation du faisceau laser. Pour les ordinateurs quantiques à pièges à ions qui s'appuient sur des faisceaux laser précis pour adresser des qubits individuels et contrôler les portes logiques quantiques, si le déplacement « excentrique » de centaines de nanomètres est ignoré dans l'algorithme et l'alignement optique, le laser peut ne pas agir avec précision sur la cible prévue, introduisant ainsi des erreurs systématiques dans les opérations quantiques continues de haute précision.
Philip Leindecker, premier auteur de l'étude et chercheur au Département de physique et à l'Institut Paul Scherr de l'ETH Zurich, a également souligné que cet effet n'est pas seulement une interférence négative, mais que la force électromagnétique microscopique qu'elle génère devrait également être utilisée comme un nouveau mécanisme physique pour aider à réaliser un couplage contrôlé entre des qubits adjacents, fournissant ainsi de nouvelles façons expérimentales d'effectuer des opérations logiques quantiques plus complexes. Cette réalisation a non seulement vérifié des hypothèses théoriques de longue date au niveau de l’optique quantique de base, mais a également établi une référence de paramètres importante pour l’étalonnage du système optique du matériel quantique de pièges à ions hautement tolérant aux pannes de nouvelle génération.
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