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La recherche de matière noire est accélérée par la technologie quantique

Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué à l’article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: Op-Ed & Insights.

Benjamin Brubaker, Chercheur postdoctoral en physique quantique, Université du Colorado à Boulder

Près d’un siècle après que la matière noire a été proposée pour la première fois pour expliquer le mouvement des amas de galaxies, les physiciens n’ont toujours aucune idée de ce dont elle est faite.

Des chercheurs du monde entier ont construit des dizaines de détecteurs dans l’espoir de découvrir la matière noire. En tant qu’étudiant diplômé, j’ai aidé à concevoir et à faire fonctionner l’un de ces détecteurs, bien nommé HAYSTAC. Mais malgré des décennies d’efforts expérimentaux, les scientifiques n’ont pas encore identifié la particule de matière noire.

Maintenant, la recherche de matière noire a reçu une aide improbable de la technologie utilisée dans la recherche en informatique quantique. Dans un nouvel article publié dans la revue Nature, mes collègues de l’équipe HAYSTAC et moi décrivons comment nous avons utilisé un peu de ruse quantique pour doubler la vitesse à laquelle notre détecteur peut rechercher de la matière noire. Notre résultat ajoute une augmentation de vitesse indispensable à la recherche de cette mystérieuse particule.

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Recherche d’un signal de matière noire

Il existe des preuves irréfutables de l’astrophysique et de la cosmologie qu’une substance inconnue appelée matière noire constitue plus de 80% de la matière dans l’univers. Les physiciens théoriciens ont proposé des dizaines de nouvelles particules fondamentales qui pourraient expliquer la matière noire. Mais pour déterminer laquelle de ces théories, le cas échéant, est correcte, les chercheurs doivent construire différents détecteurs pour tester chacun d’eux.

Une théorie importante propose que la matière noire est constituée de particules encore hypothétiques appelées axions qui se comportent collectivement comme une onde invisible oscillant à une fréquence très spécifique à travers le cosmos. Les détecteurs Axion – y compris HAYSTAC – fonctionnent à peu près comme des récepteurs radio, mais au lieu de convertir les ondes radio en ondes sonores, ils visent à convertir les ondes axions en ondes électromagnétiques. Plus précisément, les détecteurs d’axions mesurent deux quantités appelées quadratures de champ électromagnétique. Ces quadratures sont deux types distincts d’oscillations dans l’onde électromagnétique qui seraient produites si des axions existaient.

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Le détecteur HAYSTAC recherche l'axion, l'une des particules hypothétiques qui pourraient constituer la matière noire.

Le détecteur HAYSTAC recherche l’axion, l’une des particules hypothétiques qui pourraient constituer la matière noire. (Crédit d’image: Kelly Backes, CC BY-ND)

Le principal défi dans la recherche d’axions est que personne ne connaît la fréquence de l’onde d’axion hypothétique. Imaginez que vous êtes dans une ville inconnue à la recherche d’une station de radio particulière en parcourant la bande FM une fréquence à la fois. Les chasseurs Axion font à peu près la même chose: ils règlent leurs détecteurs sur une large gamme de fréquences par étapes discrètes. Chaque étape ne peut couvrir qu’une très petite plage de fréquences d’axions possibles. Cette petite plage est la bande passante du détecteur.

Le réglage d’une radio implique généralement une pause de quelques secondes à chaque étape pour voir si vous avez trouvé la station que vous recherchez. C’est plus difficile si le signal est faible et qu’il y a beaucoup de statique. Un signal axion – même dans les détecteurs les plus sensibles – serait extrêmement faible par rapport à la statique des fluctuations électromagnétiques aléatoires, que les physiciens appellent bruit. Plus il y a de bruit, plus le détecteur doit rester longtemps à chaque pas d’accord pour écouter un signal d’axion.

Malheureusement, les chercheurs ne peuvent pas compter sur l’émission de l’axion après quelques dizaines de tours de cadran de la radio. Une radio FM n’émet que 88 à 108 mégahertz (un mégahertz équivaut à un million de hertz). La fréquence axiale, en revanche, peut être comprise entre 300 hertz et 300 milliards de hertz. Au rythme actuel des détecteurs, trouver l’axion ou prouver qu’il n’existe pas pourrait prendre plus de 10 000 ans.

Les circuits supraconducteurs spéciaux utilisés pour l'informatique quantique peuvent aider les détecteurs à passer au crible le bruit qui pourrait cacher un signal axion.

Les circuits supraconducteurs spéciaux utilisés pour l’informatique quantique peuvent aider les détecteurs à passer au crible le bruit qui pourrait cacher un signal axion. (Crédit d’image: Kelley Backes, CC BY-ND)

Presser le bruit quantique

Dans l’équipe HAYSTAC, nous n’avons pas ce genre de patience. Ainsi, en 2012, nous avons décidé d’accélérer la recherche axiale en faisant tout notre possible pour réduire le bruit. Mais en 2017, nous nous sommes heurtés à une limite de bruit minimale fondamentale en raison d’une loi de la physique quantique connue sous le nom de principe d’incertitude.

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Le principe d’incertitude stipule qu’il est impossible de connaître simultanément les valeurs exactes de certaines quantités physiques – par exemple, vous ne pouvez pas connaître à la fois la position et l’élan d’une particule en même temps. Rappelez-vous que les détecteurs d’axions recherchent l’axion en mesurant deux quadratures – ces types spécifiques d’oscillations de champ électromagnétique. Le principe d’incertitude interdit la connaissance précise des deux quadratures en ajoutant un minimum de bruit aux oscillations en quadrature.

Dans les détecteurs d’axions conventionnels, le bruit quantique du principe d’incertitude obscurcit les deux quadratures de manière égale. Ce bruit ne peut pas être éliminé, mais avec les bons outils, il peut être contrôlé. Notre équipe a mis au point un moyen de mélanger le bruit quantique dans le détecteur HAYSTAC, en réduisant son effet sur une quadrature tout en augmentant son effet sur l’autre. Cette technique de manipulation du bruit est appelée compression quantique.

Dans un effort dirigé par les étudiants diplômés Kelly Backes et Dan Palken, l’équipe HAYSTAC a relevé le défi de mettre en œuvre la compression dans notre détecteur, en utilisant la technologie des circuits supraconducteurs empruntée à la recherche en informatique quantique. Les ordinateurs quantiques à usage général restent encore loin, mais notre nouvel article montre que cette technologie de compression peut immédiatement accélérer la recherche de matière noire.

Le refroidissement cryogénique permet de réduire le bruit, mais en réduisant le bruit quantique, le détecteur HAYSTAC peut rechercher un signal axion encore plus rapidement.

Le refroidissement cryogénique permet de réduire le bruit, mais en réduisant le bruit quantique, le détecteur HAYSTAC peut rechercher un signal axion encore plus rapidement. (Crédit d’image: Kelly Backes, CC BY-ND)

Notre équipe a réussi à réduire le bruit dans le détecteur HAYSTAC. Mais comment avons-nous utilisé cela pour accélérer la recherche axion?

La compression quantique ne réduit pas le bruit uniformément sur la bande passante du détecteur axion. Au lieu de cela, il a le plus grand effet sur les bords. Imaginez que vous accordez votre radio à 88,3 mégahertz, mais que la station que vous voulez est en fait à 88,1. Avec la compression quantique, vous pourrez entendre votre chanson préférée jouer à une station.

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Dans le monde de la radio, ce serait la recette du désastre, car différentes stations interféreraient les unes avec les autres. Mais avec un seul signal de matière noire à rechercher, une bande passante plus large permet aux physiciens de rechercher plus rapidement en couvrant plus de fréquences à la fois. Dans notre dernier résultat, nous avons utilisé la compression pour doubler la bande passante de HAYSTAC, ce qui nous a permis de rechercher des axions deux fois plus vite qu’auparavant.

La compression quantique seule ne suffit pas pour parcourir toutes les fréquences d’axions possibles dans un temps raisonnable. Mais doubler le taux de balayage est un grand pas dans la bonne direction, et nous pensons que de nouvelles améliorations de notre système de compression quantique pourraient nous permettre de numériser 10 fois plus rapidement.

Personne ne sait si les axions existent ou s’ils résoudront le mystère de la matière noire; mais grâce à cette application inattendue de la technologie quantique, nous sommes un pas de plus pour répondre à ces questions.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.

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