Les physiciens ont créé une armée volante de chats de Schrödinger au laser

  • Joseph Norman
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Une impulsion laser a rebondi sur un atome de rubidium et est entrée dans le monde quantique - prenant la physique étrange du «chat de Schrödinger». Puis un autre a fait la même chose. Ensuite un autre.

Les impulsions laser ne faisaient pas pousser de moustaches ni de pattes. Mais ils sont devenus comme la célèbre expérience de pensée de physique quantique Le chat de Schrödinger d'une manière importante: ils étaient de grands objets qui agissaient comme les créatures simultanément mortes et vivantes de la physique subatomique - existant dans les limbes entre deux états simultanés et contradictoires. Et le laboratoire en Finlande où ils sont nés n'avait aucune limite sur le nombre qu'ils pouvaient en faire. Impulsion après impulsion, elle est devenue une créature du monde quantique. Et ces "chats quantiques", bien qu'ils n'existaient qu'une fraction de seconde à l'intérieur de la machine expérimentale, avaient le potentiel d'être immortels.

"Dans notre expérience, le [chat laser] a été immédiatement envoyé au détecteur, il a donc été détruit juste après sa création", a déclaré Bastian Hacker, chercheur à l'Institut Max Planck d'Optique Quantique en Allemagne, qui a travaillé sur l'expérience. [Science Fact ou Fiction? La plausibilité de 10 concepts de science-fiction]

Mais ça ne devait pas être comme ça, a dit Hacker .

"Un état optique peut vivre éternellement. Donc, si nous avions envoyé l'impulsion dans le ciel nocturne, il pourrait vivre des milliards d'années dans son état [de chat]."

Cette longévité fait partie de ce qui rend ces légumineuses si utiles, a-t-il ajouté. Un chat laser à longue durée de vie peut survivre à des voyages à long terme à travers une fibre optique, ce qui en fait une bonne unité d'information pour un réseau d'ordinateurs quantiques.

Chat quantique, mort et vivant

Alors, qu'est-ce que cela signifie de faire une impulsion laser comme le chat de Schrödinger? Tout d'abord, le chat n'était pas un animal de compagnie. C'était une expérience de pensée que le physicien Erwin Schrödinger proposa en 1935 pour souligner le caractère totalement déraisonnable de la physique quantique que lui et ses collègues venaient de découvrir. [Comment fonctionne l'intrication quantique (infographie)]

Voici comment cela se passe: la physique quantique dicte que, dans des conditions particulières, une particule peut avoir deux traits contradictoires en même temps. Le spin d'une particule (une mesure quantique qui ne ressemble pas tout à fait à la rotation que nous voyons à l'échelle macro) pourrait être «vers le haut» tout en étant «vers le bas». Ce n'est que lorsque son spin est mesuré que la particule s'effondre dans un sens ou dans l'autre.

Les physiciens ont plusieurs interprétations de ce comportement, mais la plus populaire (appelée interprétation de Copenhague) dit que la particule ne tourne pas vraiment vers le haut ou vers le bas avant d'être observée. Jusque-là, c'est dans une sorte de netherworld brumeux entre les États, et ne décide de l'un ou de l'autre que lorsqu'il est contraint par un observateur extérieur.

Schrödinger a remarqué que cela avait des implications bizarres.

Il a imaginé une boîte en acier opaque, contenant un chat, un atome et une fiole en verre scellée de gaz toxique. Si l'atome se décomposait (une possibilité, mais pas une chose sûre, grâce à la mécanique quantique), un mécanisme dans la boîte briserait le verre, tuant le chat. Si l'atome ne se décomposait pas, le chat vivrait. Laissez le chat dans la boîte pendant une heure, a déclaré Schrödinger, et le chat se retrouverait dans une "superposition" entre la vie et la mort.

Le problème avec ça, impliquait-il, c'est que ça n'a aucun sens.

Et pourtant, le chat de Schrödinger est devenu une sorte de raccourci utile pour les choses à grande échelle qui obéissent aux lois de la physique classique, mais interagissent avec des objets quantiques de sorte qu'ils n'ont ni entièrement un trait ni entièrement un autre.

Dans la nouvelle expérience, décrite dans un article publié le 14 janvier dans la revue Nature Photonics, les chercheurs ont créé des impulsions laser qui se superposent entre deux états quantiques possibles. Ils ont appelé les petites impulsions «des états de chat optique volant».

Pour les fabriquer, ils ont d'abord confiné l'atome de rubidium dans une cavité entre deux miroirs de seulement 0,02 pouce (0,5 millimètre) de large (environ la largeur d'un grain de sel). L'atome peut être dans l'un des trois états suivants: deux états «fondamentaux» ou un état «excité». Lorsque la lumière est entrée dans la cavité, elle s'est enchevêtrée avec l'atome, ce qui signifie que son état était fondamentalement lié à l'état de l'atome.

Ensuite, lorsque l'impulsion lumineuse a frappé un détecteur de lumière, elle présentait des signes révélateurs d'intervalle, ni agissant entièrement comme si elle était enchevêtrée avec une sorte d'atome ou une autre. C'était un chat volant fait de lumière.

Cet entre-deux avait à voir avec la position des ondes lumineuses, a déclaré Hacker. Après avoir jeté un coup d'œil sur l'atome, la lumière a continué à se déplacer dans l'espace comme une vague: colline et vallée, colline et vallée.

(Crédit d'image: Giphy)

Mais il est devenu incertain si à un moment donné la vague de lumière atteignait le sommet d'une colline ou descendait dans une vallée, a déclaré Hacker. .

La lumière a agi comme si elle avait au moins deux ondes différentes qui la composaient, chacune une image miroir de l'autre.

(En réalité, la lumière pourrait avoir encore plus de formes possibles: son onde avait toujours au moins une chance d'occuper chaque point entre le sommet d'une "colline" et le fond d'une "vallée". Mais deux ondes en image miroir représentaient le deux états incertains les plus probables.)

Les chercheurs ont déclaré que plus tard, cette capacité à envoyer des chats en mouvement d'un endroit à un autre pourrait être utile pour le réseautage quantique. C'est parce que le réseau quantique reposera probablement sur l'envoi de lumière entre les ordinateurs quantiques, a déclaré Hacker, plutôt que sur l'électricité..

"La chose la plus simple à envoyer serait des photons uniques, mais quand ils se perdent [ce qui arrive souvent], leurs informations portées disparaissent", a-t-il déclaré. "Les états Cat peuvent encoder des informations quantiques d'une manière qui [nous] permet de détecter les pertes optiques et de les corriger. Bien que chaque transmission optique comporte des pertes, les informations peuvent être transmises parfaitement."

Cela dit, il y a encore du travail à faire. Alors que les chercheurs ont pu créer les chats "de manière déterministe", ce qui signifie qu'un chat a émergé chaque fois qu'ils ont effectué leur expérience, les chats n'ont pas toujours survécu au court trajet vers le récepteur de lumière. Les optiques sont délicates et parfois la lumière s'est éteinte avant d'y arriver.

De plus, une personne raisonnable pourrait se demander si ces impulsions lumineuses comptent vraiment comme des chats de Schrödinger. Ce sont certainement des objets classiques - ce qui signifie qu'ils suivent les lois déterministes des objets à grande échelle - mais les chercheurs ont reconnu dans l'article qu'à une échelle de seulement quatre photons, le laser était à la limite de l'échelle macroscopique et quantique; et ainsi ils pourraient être considérés comme macroscopiques sous seulement la plus large des définitions.

"En effet, [quelques] photons ne sont rien de proche d'un objet macroscopique du monde réel", a déclaré Hacker. "Le point des impulsions optiques cohérentes comme celles que nous avons utilisées est que l'amplitude peut être augmentée en continu sans aucune limite fondamentale."

En d'autres termes, bien sûr, ce sont de minuscules chats. Mais il n'y a aucune raison pour que la même idée de base ne puisse pas être utilisée pour fabriquer des félins géants de Schrödinger.

Mais les chercheurs étaient finalement confiants dans l'utilisation du terme, et «l'état de chat volant optique» a un son..

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Publié à l'origine le .




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