Une équipe de recherche de l’Université d’Uppsala en Suède a récemment proposé une nouvelle méthode de mesure du temps. La principale caractéristique est qu'il n'est pas nécessaire de connaître à l'avance le moment de début de l'événement, qui est le « point zéro du temps » au sens traditionnel du terme. Cette méthode repose sur le comportement d’évolution quantique des atomes d’hélium dans un état fortement excité. En analysant son « empreinte digitale » caractéristique qui change avec le temps après une courte irradiation par lumière pulsée, il peut lire directement la durée qui s'est écoulée, fournissant ainsi un nouvel outil d'échelle de temps pour les processus physiques et chimiques ultrarapides qui ne peuvent pas déterminer avec précision le moment de départ.

Dans ce travail, les chercheurs ont d'abord utilisé de courtes impulsions de lumière pour exciter des atomes d'hélium dans un ensemble d'états dits de Rydberg et placer les atomes dans un « état de superposition » quantique dans lequel plusieurs états de Rydberg sont superposés. L’état de Rydberg est un type d’état atomique excité avec une énergie extrêmement élevée et des électrons éloignés du noyau. Il est extrêmement sensible à l'environnement. La superposition quantique signifie que les atomes existent dans plusieurs états quantiques en même temps et que leur évolution globale au fil du temps formera une structure complexe de paquets d’ondes. La méthode traditionnelle consiste à chronométrer avec précision le temps écoulé depuis le moment de l'excitation, mais le point de départ de cette étude est d'appliquer une deuxième impulsion lumineuse après un certain temps, de mesurer la probabilité que les atomes d'hélium soient ionisés, c'est-à-dire qu'ils perdent des électrons et deviennent des ions chargés, puis de comparer ces résultats de mesure avec le modèle théorique pour en déduire le temps qui s'est écoulé depuis la formation de l'état de Rydberg.

Johan Söderström, le chef de l'équipe de recherche, compare ce processus à la « lecture d'un ruban à mesurer » : il n'est pas nécessaire de voir quelqu'un commencer à mesurer la distance à partir du zéro. Il suffit de regarder la lecture actuelle et vous pourrez savoir si la différence de distance par rapport au point de départ est de 5 centimètres ou de 4 000 mètres. Dans cette méthode, la superposition des états de Rydberg des atomes d'hélium évolue au fil du temps, laissant un modèle de changement unique sur les observables - ce qu'on appelle «l'empreinte digitale» temporelle, qui équivaut à la projection de l'évolution des paquets d'ondes quantiques dans l'espace d'observation. En analysant cette empreinte digitale et en la faisant correspondre à des calculs théoriques, les chercheurs peuvent lire directement la « distance temporelle » spécifique entre la génération du paquet d'ondes et le moment de l'observation, simplement en observant dans une fenêtre de temps limitée.

L'article souligne que cette empreinte quantique elle-même a également une fonction « d'auto-vérification » : la structure détaillée du paquet d'ondes évoluant au fil du temps fournit un contrôle de cohérence interne pour l'échelle de temps correspondante, améliorant ainsi la fiabilité des résultats de mesure. En termes d’expériences spécifiques, l’équipe a combiné la simulation théorique et la technologie de spectroscopie photoélectronique résolue dans le temps, c’est-à-dire en utilisant deux faisceaux d’impulsions lumineuses avec des intervalles de temps contrôlés avec précision. Un faisceau est utilisé pour exciter les atomes d'hélium afin de former des paquets d'ondes d'état de Rydberg, et l'autre faisceau est utilisé pour éliminer les électrons et enregistrer l'évolution du signal photoélectronique au fil du temps. Les résultats expérimentaux sont très cohérents avec les prédictions théoriques, indiquant que cette méthode peut non seulement obtenir des informations temporelles, mais également déduire de subtiles différences d'énergie telles que des « défauts quantiques » dans l'état de Rydberg des atomes d'hélium, contribuant ainsi à approfondir la compréhension de la structure atomique.

Les chercheurs ont à nouveau utilisé l’analogie d’un ruban à mesurer : lors de l’enregistrement de courtes distances, seule une petite partie de l’échelle du ruban doit être lue, tandis que la mesure de longues distances nécessite une plage d’échelle plus longue. Correspondant à la mesure du temps, si l'événement est très proche du « point de départ inconnu », seule l'observation des empreintes digitales dans un intervalle de temps plus court suffit à restituer l'heure ; pour les évolutions plus éloignées du point de départ, les empreintes digitales sur une période plus longue doivent être enregistrées pour garantir que l'échelle de temps corresponde. Par conséquent, cette méthode n’est pas un processus de mesure unique statique, mais ajuste dynamiquement la quantité de données requise en fonction de la durée à mesurer, fournissant ainsi une solution de synchronisation quantique flexible pour les expériences sur différentes échelles de temps.

Il convient de noter que la plupart des travaux expérimentaux pour cette étude ont été réalisés dans l’installation HELIOS du laboratoire d’Ångström pendant la pandémie de coronavirus et dans le contexte de la fermeture temporaire de certaines installations de l’Université d’Uppsala. Dans un environnement relativement fermé, l’équipe a pu se concentrer sur l’utilisation du temps expérimental pour vérifier et optimiser à plusieurs reprises la méthode des empreintes temporelles. Après avoir initialement prouvé que la méthode est réalisable, les chercheurs ont en outre proposé qu'à l'avenir, cette méthode soit étendue aux systèmes moléculaires, par exemple pour étudier le processus de dissociation moléculaire et son impact sur l'état de Rydberg, afin d'évaluer l'applicabilité universelle de cette technologie dans des systèmes physiques plus complexes.

Bien que cette nouvelle approche soit conceptuellement capable de fournir une échelle de temps absolue, elle n’est pas conçue pour remplacer les horloges traditionnelles utilisées dans la vie quotidienne. L’équipe de recherche a clairement indiqué qu’il s’agissait d’un outil spécial plus approprié dans les expériences de spectroscopie pompe-sonde pour les scénarios dans lesquels une évolution rapide du processus doit être observée avec une résolution temporelle extrêmement courte. Dans de telles expériences, la première impulsion déclenche le processus et la seconde impulsion est chargée de prendre un « instantané » temporel. Cependant, le moment de départ est souvent difficile à définir avec précision, voire directement observable. Cet ensemble de méthodes d’empreintes quantiques devrait fournir une échelle de temps absolue pour ces processus rapides sans déterminer au préalable le « point zéro du temps ».

D'un point de vue plus large, cette recherche propose une nouvelle idée pour mesurer le temps sans aucune information de point de départ, c'est-à-dire en s'appuyant entièrement sur l'évolution de l'état quantique lui-même pour coder et décoder les informations temporelles, plutôt que d'utiliser des mécanismes de comptage traditionnels. Les chercheurs soulignent que cette méthode n’est pas adaptée à tous les types de mesures du temps, mais qu’elle pourrait devenir un outil extrêmement précis et complémentaire présentant des avantages uniques dans les domaines expérimentaux où il est difficile pour les technologies existantes de verrouiller avec précision le moment de départ, ou lors de l’étude de processus ultrarapides à l’intérieur des atomes et des molécules. Des résultats pertinents ont été publiés dans des revues universitaires et ont attiré l'attention d'institutions telles que l'Université d'Uppsala et l'American Physical Society. Elle est considérée comme une exploration importante dans la voie de la recherche sur la mesure du temps quantique.