Une expérience pionnière menée par l’Université de Vienne a permis de mesurer l’effet de la rotation de la Terre sur les photons quantiques intriqués.
Les travaux, publiés dans Science Advances, représentent une réalisation importante qui repousse les limites de la sensibilité à la rotation dans les capteurs basés sur l’intrication, ce qui pourrait jeter les bases d’une exploration plus approfondie à l’intersection de la mécanique quantique et de la relativité générale.
Les interféromètres optiques Sagnac sont les appareils les plus sensibles aux rotations. Ils ont joué un rôle fondamental dans notre compréhension de la physique fondamentale depuis les premières années du siècle dernier, contribuant à établir la théorie restreinte de la relativité d’Einstein. Aujourd’hui, leur précision inégalée en fait l’outil définitif pour mesurer les vitesses de rotation, limité uniquement par les limites de la physique classique.
Les interféromètres qui utilisent l’intrication quantique ont le potentiel de dépasser ces limites. Si deux particules ou plus sont intriquées, seul l’état global est connu, tandis que l’état de chaque particule individuelle reste indéterminé jusqu’à la mesure. Cela peut être utilisé pour obtenir plus d’informations par mesure qu’il ne serait possible sans cela. Cependant, le saut quantique promis en matière de sensibilité a été entravé par la nature extrêmement délicate de l’intrication. C’est là que l’expérience de Vienne a fait la différence.
Les chercheurs ont construit un interféromètre Sagnac géant à fibre optique et ont maintenu le bruit faible et stable pendant plusieurs heures. Cela a permis de détecter suffisamment de paires de photons intriqués de haute qualité pour dépasser de mille fois la précision de rotation des précédents interféromètres optiques quantiques de Sagnac.
Dans un interféromètre Sagnac, deux particules se déplaçant dans des directions opposées sur un chemin fermé en rotation atteignent le point de départ à des moments différents. Avec deux particules intriquées, les choses deviennent « fantomatiques » : elles se comportent comme une seule particule testant simultanément les deux directions tout en accumulant un délai deux fois plus long que dans le scénario sans intrication.
Cette propriété unique est connue sous le nom de super-résolution. Dans l’expérience réelle, deux photons intriqués se sont propagés à l’intérieur d’une fibre optique de 2 kilomètres de long enroulée dans une énorme bobine, ce qui a donné un interféromètre d’une surface effective de plus de 700 mètres carrés.
L’un des principaux obstacles auxquels les chercheurs ont été confrontés était d’isoler et d’extraire le signal de rotation constante de la Terre. “Le cœur du problème réside dans l’établissement d’un point de référence pour nos mesures, où la lumière n’est pas affectée par l’effet de rotation de la Terre. Compte tenu de notre incapacité à arrêter la rotation de la Terre, nous avons imaginé une solution alternative : diviser la fibre optique en deux bobines. de longueur égale et connectez-les à l’aide d’un commutateur optique”, explique l’auteur principal Raffaele Silvestri.
En allumant et éteignant l’interrupteur, les chercheurs ont pu annuler efficacement le signal de rotation à volonté, ce qui leur a également permis d’étendre la stabilité de leur grand appareil. “Fondamentalement, nous avons trompé la lumière en lui faisant croire qu’elle se trouve dans un univers non rotatif”, explique Silvestri dans un communiqué.
L’expérience, réalisée dans le cadre du réseau de recherche TURIS parrainé par l’Université de Vienne et l’Académie autrichienne des sciences, a permis d’observer avec succès l’effet de la rotation de la Terre dans un état d’intrication maximale de deux photons. Cela confirme l’interaction entre les référentiels rotatifs et l’intrication quantique, telle que décrite dans la théorie spéciale de la relativité et de la mécanique quantique d’Einstein, avec une précision mille fois supérieure à celle des expériences précédentes.
“Cela représente une étape importante puisque, un siècle après la première observation de la rotation de la Terre avec la lumière, l’intrication de photons uniques est enfin entrée dans les mêmes régimes de sensibilité”, explique Haocun Yu, qui a travaillé sur cette expérience en tant que chercheur postdoctoral Marie-Curie.
“Je pense que nos résultats et notre méthodologie jetteront les bases d’améliorations futures de la sensibilité à la rotation des capteurs basés sur l’intrication. Cela pourrait ouvrir la voie à de futures expériences testant le comportement de l’intrication quantique sur les courbes espace-temps”, ajoute Philip Walther.
