Une action effrayante à distance pourrait créer une horloge presque parfaite

Les physiciens imaginent un jour où ils pourront concevoir une horloge si précise qu’elle sera utilisée pour détecter des perturbations subtiles dans espace-temps ou pour trouver la matière noire insaisissable qui tire sur tout mais n’émet aucune lumière. Le tic-tac de cette horloge sera presque parfait.

Ce rêve n’est peut-être pas loin: un groupe de chercheurs a créé une horloge qui, avec quelques ajustements, pourrait être quatre à cinq fois plus précise que les meilleures horloges du monde. Pour mettre cela en perspective, si les horloges les plus précises d’aujourd’hui commençaient à tourner à la naissance de l’univers, elles ne seraient décalées que d’une demi-seconde aujourd’hui; avec plus d’améliorations, cette nouvelle horloge a le potentiel d’être désactivée de seulement 0,1 seconde.

«Les horloges atomiques sont de loin les instruments les plus précis que l’humanité ait jamais fabriqués à bien des égards», a déclaré Vladan Vuletić, professeur de physique au MIT et auteur principal d’un article récent décrivant le travail. Maintenant, « nous repoussons cette frontière » plus loin, at-il ajouté.

En relation: La physique mystérieuse de 7 choses quotidiennes

Les horloges atomiques tournent en fonction du mouvement de les atomes. Depuis les années 60, les horloges atomiques chargées de garder l’heure globale et de définir «une seconde» sont basées sur césium les atomes; ces horloges bombardent les atomes de césium avec des micro-ondes et mesurent le temps lorsque les électrons oscillent d’un niveau d’énergie inférieur (appelé état fondamental) à un niveau supérieur (un état excité), 45Secondes.fr précédemment rapporté.

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont développé des « horloges optiques » qui sont 100 fois plus précises que les horloges atomiques au césium. Ces horloges utilisent des lasers – ou lumière visible – pour exciter des atomes d’éléments tels que aluminium ou ytterbium; la lumière visible a une fréquence plus élevée que les micro-ondes et peut ainsi exciter les atomes pour qu’ils oscillent 100 000 fois plus vite que les micro-ondes ne peuvent exciter les atomes de césium. Cette oscillation plus rapide ajoute plus de points de données à la mesure d’une seconde, ce qui la rend plus précise. Bientôt, il y aura une « redéfinition officielle de la seconde » en utilisant ces horloges optiques beaucoup plus précises, a déclaré Vuletić à 45Secondes.fr.

L’incertitude

Mais même ces horloges atomiques optiques presque irréprochables ne peuvent mesurer parfaitement le temps, car elles sont victimes des règles de la mécanique quantique, les règles étranges qui régissent le zoo des particules subatomiques. Les atomes qui exécutent l’horloge sont si petits que leurs états ne peuvent pas être fixés avec précision, ils sont donc définis par des probabilités. Par conséquent, un électron n’est pas dans un état excité ou dans un état fondamental, mais il a une certaine probabilité d’être dans plusieurs niveaux d’énergie à la fois.

Essayer de mesurer l’état d’un seul atome revient à lancer une pièce de monnaie, car la mesure réelle « force » l’atome à choisir soit l’état fondamental, soit l’état excité, mais « vous ne trouvez jamais quelque chose entre les deux », a déclaré Vuletić. Cette incertitude de mesure rend impossible la lecture de l’heure parfaite. Lorsque vous augmentez le nombre d’atomes dans l’horloge (qui peut être considéré comme le nombre de lancers de pièces de monnaie) et que vous commencez à calculer la moyenne du nombre d’atomes excités et non, les mesures commencent à devenir plus précises.

Plus vous ajoutez d’atomes, plus votre erreur de mesure ou d’incertitude – ce que l’on appelle la «limite quantique standard» – sera petite. Parce que la précision de la mesure est égale à la racine carrée du nombre de lancers de pièces, lancer 10000 pièces est 10 fois plus précis que lancer 100, par exemple, a déclaré Vuletić.

C’est pourquoi les horloges optiques d’aujourd’hui mesurent le temps en faisant la moyenne des oscillations de milliers d’atomes. Mais même cette méthode ne peut pas se débarrasser de la limite quantique standard. Il y a dix ans, Vuletić et son équipe, ainsi que des chercheurs de l’Université de Belgrade en Serbie, ont eu une idée de la façon de surmonter cette limitation: enchevêtrer les particules. L’enchevêtrement quantique – ou « action effrayante à distance », comme l’appelait Albert Einstein – est l’idée que les destins de minuscules particules sont liés les uns aux autres même s’ils sont séparés par de longues distances. Ainsi, en emmêlant les atomes qui gardent le temps, les scientifiques pourraient être en mesure de maintenir chaque paire ou groupe d’atomes intriqués dans le même état et ainsi osciller à des fréquences similaires, permettant ainsi à l’horloge de dépasser la limite quantique standard et de mesurer le temps plus précisément. .

« Enchevêtrer les atomes rend les lancers moins aléatoires, pour ainsi dire », a déclaré Vuletić. « Le tirage de chaque atome individuellement est toujours aléatoire, mais tous les lancers ensemble ont moins de caractère aléatoire que ceux des atomes indépendants. » C’est similaire à placer 100 pièces sur une table, 50 têtes en l’air et 50 queues en l’air. Si vous ramassez une pièce sans regarder, ce sera au hasard des têtes ou des queues. Mais une fois que vous aurez ramassé toutes les pièces, il y aura exactement le même nombre de têtes et de queues. «L’intrication quantique est un peu comme ça», dit-il.

Maintenant, ils ont mis leur idée à l’épreuve.

Pour ce faire, Vuletić et son équipe ont placé 350 atomes d’ytterbium entre deux miroirs. Ensuite, ils ont tiré un faisceau laser qui a rebondi entre les miroirs. Lorsque la lumière a frappé le premier atome, l’atome a modifié la lumière. Cette lumière a ensuite modifié le deuxième atome, puis le troisième et puis le reste, jusqu’à ce qu’ils se soient tous emmêlés et aient commencé à osciller avec des phases similaires. Ensuite, l’équipe a utilisé un autre laser pour mesurer la fréquence moyenne à laquelle ces atomes oscillaient.

Lorsque l’équipe a mené deux expériences – l’une avec des atomes intriqués et l’autre sans -, ils ont découvert que les atomes intriqués pouvaient mesurer le temps avec la même précision, mais quatre fois plus rapidement. Ils ont également constaté que lorsque les deux horloges étaient mesurées pendant la même durée, l’horloge intriquée était plus précise.

Pourtant, l’équipe a quelques ajustements à faire. Le laser qu’ils ont utilisé actuellement n’est pas aussi stable qu’ils l’auraient espéré, a déclaré Vuletić, de sorte que l’horloge n’est « pas tout à fait au niveau de performance des meilleures horloges qui n’utilisent pas l’intrication ». Cependant, avec des ajustements au laser, l’utilisation d’atomes intriqués a le potentiel de rendre les horloges optiques beaucoup plus précises.

À l’avenir, l’équipe veut également montrer qu’en utilisant plus d’une horloge atomique, « vous pouvez rendre encore meilleur cet avantage que vous avez obtenu de l’intrication quantique », a déclaré Vuletić. Finalement, vous pourriez avoir plusieurs horloges sur de longues distances qui utilisent l’intrication et indiquent une heure encore plus précise, a-t-il ajouté.

Des horloges extrêmement précises peuvent éventuellement avoir des applications au-delà de la lecture de l’heure. « Le temps dépend de la gravité», A déclaré Vuletić, se référant à l’idée qu’en raison de relativité, les objets massifs (qui ont une force gravitationnelle plus élevée) déforment l’espace-temps, ralentissant le temps.

Donc, si vous avez deux horloges et que vous soulevez l’une d’elles d’un pied (0,3 mètre) plus haut, « à ces deux hauteurs, le temps passe différemment ». Au fur et à mesure que ces horloges deviennent plus précises, elles pourraient être utilisées pour détecter comment le temps change, détectant ainsi des effets gravitationnels subtils dans l’univers, tels que des ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles. Parce que la matière noire exerce également une attraction gravitationnelle, des changements infimes dans le temps écoulé pourraient révéler la nature de la matière noire qui nous entoure, a-t-il déclaré.

Il y a même des spéculations selon lesquelles les soi-disant constantes absolues dans le monde de la physique, telles que la vitesse de la lumière ou la charge des électrons, peuvent changer à mesure que l’univers se développe. Et parce que ces constantes définissent les lois de la physique qui régissent les niveaux d’énergie dans un atome, elles peuvent également changer la mesure du temps, a-t-il déclaré. Il est donc possible que «l’essence même du temps change à mesure que l’univers se développe».

Les résultats ont été publiés le 16 décembre dans la revue La nature.