Des chercheurs de l'Université de Liège ont développé une méthode révolutionnaire qui utilise une combinaison de géométrie et de contrôle quantique pour générer rapidement des états de superposition quantique (c'est-à-dire les états NOON). Cette innovation réduit considérablement le temps de préparation de quelques minutes à quelques millisecondes, ouvrant ainsi la porte à des applications pratiques dans le domaine de l’informatique quantique et des capteurs d’ultra-précision.

La création de superpositions quantiques d’atomes ultrafroids constitue depuis longtemps un défi majeur, les méthodes existantes se révélant trop lentes pour une utilisation pratique en laboratoire. Des chercheurs de l'Université de Liège ont développé une nouvelle méthode combinant géométrie et « contrôle quantique » pour accélérer considérablement ce processus et ouvrir la porte à des applications pratiques de la technologie quantique.

Imaginez pousser un caddie plein jusqu'au supermarché. L'objectif est d'arriver à la caisse plus rapidement que tout le monde et de ne pas perdre d'articles dans les virages serrés. La clé du succès est de trouver le chemin le plus droit et le plus fluide et de maintenir la vitesse sans ralentir.

C’est exactement ce qu’a réalisé Simon Dengis, doctorant à l’Université de Liège. Il n'est pas dans un supermarché, mais dans le domaine complexe de la physique quantique.


L'état NOON est un état quantique de superposition dans lequel N particules sont dans un état « simultanément » et dans un autre état « simultanément ». Ici, les particules sont piégées dans deux puits, à l’intérieur du puits créé par le laser. L’état de superposition consiste donc en un état dans lequel toutes les particules sont dans le puits de gauche et un état dans lequel elles sont piégées dans le puits de droite. Lorsque les particules se trouvent au même endroit, elles interagissent et « se collent » ensemble, empêchant les particules individuelles de quitter le piège. Source image : Université de Liège / S. Dengis

Dungis a collaboré avec l'équipe de physique quantique statistique (PQS) pour développer un protocole de génération rapide d'états NOON. "Ces états ressemblent à des versions miniatures du célèbre chat de Schrödinger, les superpositions quantiques", explique-t-il. "Ils sont essentiels pour des technologies telles que les capteurs quantiques ultra-précis ou les ordinateurs quantiques."

Quels sont les principaux défis ? La création de ces états prend souvent trop de temps. Nous parlons de dizaines de minutes, voire plus, ce qui dépasse souvent la durée de vie de l'expérience. Quelle est la raison ? Les goulots d’étranglement énergétiques, les « virages brusques » dans l’évolution d’un système, l’obligent à ralentir.


Le contrôle antidiabatique compense l'inertie du système en le modifiant d'une manière ou d'une autre. Dans cet exemple, pour compenser le mouvement de l'eau provoqué par le mouvement du serveur, celui-ci peut incliner le plateau pour contrecarrer l'inertie du verre, l'empêchant ainsi de basculer. Source image : Université de Liège / S.Dengis

C’est le travail de rupture de l’équipe de l’Université de Liège. Ils ont ouvert la voie aux atomes en combinant les deux concepts puissants de conduite antidiabatique et de trajectoires géodésiques optimales. Résultat : le système peut évoluer plus rapidement sans s'écarter de la trajectoire idéale, comme un conducteur anticipant un virage en inclinant la palette.

"Cette stratégie permet de gagner beaucoup de temps : dans certains cas, la vitesse de traitement peut être 10 000 fois plus rapide, tout en conservant une fidélité de 99 %, soit un résultat quasi parfait", explique Peter Schlagheck, directeur du laboratoire. Auparavant, il fallait environ dix minutes pour créer cet état, mais les chercheurs ont réussi à réduire considérablement le temps d'attente... à 0,1 seconde !

Grâce à cette avancée, nous pouvons enfin produire l’état MIDI en utilisant des atomes ultrafroids. Cela ouvre des perspectives prometteuses pour la métrologie quantique (mesures ultra-sensibles du temps, de la rotation ou de la gravité) et l’informatique quantique. A terme, ces outils pourraient améliorer des instruments tels que les gyroscopes quantiques ou les détecteurs de gravité miniatures.


Le protocole proposé (bleu, GCD) peut élargir le goulot d'étranglement énergétique (par rapport au protocole rouge G habituel) et nécessite donc moins de freinage à l'approche du goulot d'étranglement. Cette image peut être comprise en termes de course moto : la moto rouge a besoin de freiner plus que la moto bleue car les virages sont moins « fluides ». Par conséquent, la moto bleue atteindra la destination avant l’adversaire. À ce stade, les changements d’énergie du système (et donc de son état) sont moins brusques, accélérant ainsi considérablement l’ensemble du processus. Source image : Université de Liège/S.Dengis

Cette étude montre comment la théorie et l’expérience peuvent être combinées pour générer des progrès concrets en physique quantique. En combinant concepts mathématiques, physique fondamentale et faisabilité expérimentale, des chercheurs de l’Université de Liège ont réalisé des avancées qui pourraient transformer ce qui était autrefois de la théorie en technologie du futur.

La superposition quantique se produit lorsqu'un système quantique (tel qu'un atome, un électron ou un photon) peut se trouver dans plusieurs états en même temps sans être observé. L'exemple le plus couramment utilisé pour expliquer ce concept est le chat de Schrödinger : un chat enfermé dans une boîte. Selon la mécanique quantique, le chat est à la fois vivant et mort jusqu'à ce que la boîte soit ouverte. Cette combinaison simultanée de deux états est appelée superposition.

Ce n'est qu'en ouvrant la boîte et en observant que nous pouvons « forcer » la nature à choisir un état : vivant ou mort. L’état NOON est un exemple de superposition quantique : tous les atomes sont dans le puits gauche et dans le puits droit en même temps. Ce n'est qu'au moment de la mesure qu'ils apparaissent dans l'un d'eux.

Compilé à partir de / scitechdaily