Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

Dans le monde de la physique, il existe une division fondamentale entre les règles qui régissent l'infiniment petit et les règles qui régissent le monde quotidien. À l'échelle des atomes et des particules subatomiques, les objets se comportent de manière étrange : ils peuvent exister dans plusieurs états à la fois, et leurs propriétés sont floues, définies par des probabilités plutôt que par des valeurs fixes. C'est le domaine de la mécanique quantique. En revanche, les objets que nous voyons et touchons — chaises, voitures et êtres humains — suivent les lois prévisibles de la physique classique. Depuis plus d'un siècle, les scientifiques se demandent où la ligne est tracée entre ces deux mondes. Pourquoi les objets de grande taille ne se comportent-ils pas comme des particules quantiques ? Pour répondre à cela, les chercheurs tentent de pousser des objets de plus en plus grands dans le royaume quantique, les forçant à obéir aux règles étranges de l'infiniment petit. Un élément clé de cet effort implique le « compression » (squeezing), une technique qui réduit le flou naturel du mouvement d'un objet dans une direction tout en le laissant augmenter dans une autre. Si les scientifiques parviennent à comprimer suffisamment le mouvement d'un objet massif, ils pourront le préparer dans un état quantique spécial, offrant une nouvelle façon de tester comment la gravité et la mécanique quantique pourraient interagir.

Une équipe de chercheurs a maintenant franchi une étape significative vers cet objectif en réussissant à comprimer le mouvement d'un objet mécanique minuscule, bien que macroscopique. L'objet en question est un cantilever, un plongeoir microscopique fait d'arséniure de gallium, pesant seulement 50 nanogrammes. Bien que cette masse soit incroyablement légère pour les sens humains, elle est massive comparée aux atomes habituellement étudiés dans les expériences quantiques. L'équipe a réussi à préparer ce cantilever dans un état « classiquement comprimé », une condition où l'incertitude de sa position est réduite à un niveau juste au-dessus du minimum absolu autorisé par la physique quantique, connu sous le nom de fluctuation du point zéro. Ils ont atteint une incertitude minimale de 1,07 fois cette limite fondamentale. Ce résultat est trois ordres de grandeur supérieur aux tentatives précédentes utilisant des méthodes similaires, représentant un bond massif en précision.

L'expérience reposait sur un jeu subtil entre la lumière et le mouvement. Les chercheurs ont placé le minuscule cantilever à l'intérieur d'une chambre à vide et ont projeté un laser dessus. À mesure que la lumière rebondissait sur le cantilever, elle emportait avec elle des informations sur la position de l'objet. En mesurant cette lumière de manière très précise, l'équipe a pu suivre le mouvement du cantilever en temps réel. Cependant, le simple fait d'observer l'objet ne suffit pas pour le comprimer ; l'acte de mesure exerce également une pression sur l'objet, ajoutant un sursaut de bruit appelé « réaction de rétroaction » (back-action). Pour surmonter cela, les chercheurs ont utilisé une technique appelée préparation d'état conditionnelle. Ils ont injecté les données de mesure dans un filtre informatique qui prédisait la position du cantilever en se basant sur son comportement passé. En utilisant cette prédiction pour comprendre l'état de l'objet plus clairement que ne le permettrait la mesure brute seule, ils ont pu effectivement « comprimer » le bruit hors d'un aspect de son mouvement.

Un élément critique de leur succès fut la vitesse de leurs mesures par rapport à la vitesse de vibration du cantilever. Pour que la compression fonctionne, le taux auquel ils recueillaient l'information devait être suffisamment rapide pour suivre les oscillations naturelles de l'objet. Dans cette expérience, le taux de mesure était d'environ 54 % de la fréquence de résonance du cantilever, une condition qui a permis de briser l'équilibre habituel où l'énergie est partagée équitablement entre la position et la quantité de mouvement. Au lieu de cela, ils ont réussi à supprimer l'incertitude de la mesure de position de manière significative, tandis que l'incertitude de la mesure de la quantité de mouvement augmentait, un compromis qui est une caractéristique des états comprimés. Le résultat final a montré que l'incertitude de la position était réduite à seulement 1,07 fois le niveau du point zéro, tandis que l'incertitude de la quantité de mouvement augmentait pour atteindre près de huit fois ce niveau, démontrant clairement que l'énergie n'était plus partagée de manière égale.

Malgré cette réalisation impressionnante, les chercheurs précisent avec prudence qu'ils n'ont pas encore pleinement atteint le régime de la « compression quantique ». Leur état est décrit comme « classiquement comprimé » car, bien qu'il viole la règle classique de distribution égale de l'énergie, il ne descend pas encore en dessous du plancher de bruit quantique fondamental d'une manière qui confirmerait un état purement mécanique quantique. L'expérience a été limitée par diverses sources de bruit, notamment les interférences électroniques et la difficulté de maintenir le laser parfaitement stable. L'équipe a identifié que le bruit non stationnaire, qui change de manière imprévisible au fil du temps, a empêché le filtrage des données en temps réel pour créer un état quantique définitif. Cependant, leur travail prouve que le protocole est viable. En démontrant qu'une approche basée sur la mesure peut comprimer un objet macroscopique de manière aussi efficace, ils ont ouvert la voie à de futures expériences. Avec de nouvelles améliorations pour réduire le bruit et augmenter l'efficacité de la mesure, l'équipe estime qu'il sera bientôt possible de préparer des objets encore plus grands, incluant potentiellement les miroirs massifs utilisés dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles, dans de véritables états quantiques comprimés. Ce progrès rapproche les scientifiques de la compréhension de la manière dont le monde quantique fait la transition vers le monde classique que nous expérimentons chaque jour.