Gravitationally Mediated Entanglement in Interferometers with Repeated Splitting

La relation entre les deux grands piliers de la physique moderne — la mécanique quantique, qui régit l'infiniment petit, et la gravité, qui régit l'infiniment grand — demeure l'un des mystères les plus profonds de la science. Depuis des décennies, les physiciens se demandent si la gravité est elle-même une force quantique, capable d'intriquer des particules tout comme la lumière ou le magnétisme peuvent le faire. La vision standard suggère que si deux objets deviennent intriqués uniquement par leur attraction gravitationnelle, alors la gravité doit être de nature quantique. Cependant, tester cela est incroyablement difficile car la gravité est la plus faible de toutes les forces, et les effets quantiques qu'elle pourrait produire sont facilement noyés par le bruit environnemental. Pour contourner ce problème, des chercheurs ont proposé d'utiliser l'interférométrie à ondes de matière, une technique où de minuscules objets sont placés dans un état de « superposition », existant de fait en deux endroits à la fois. Si deux de ces objets, séparés dans l'espace, interagissent uniquement par la gravité et deviennent intriqués, ce serait un signe puissant que la gravité opère selon des règles quantiques.

Une équipe de chercheurs de l'University College London a maintenant exploré une version plus complexe de cette idée, demandant si la division de ces objets en davantage de trajectoires pourrait renforcer le signal quantique. Dans leur étude, ils ont analysé un protocole où ces petits objets ne sont pas seulement divisés en deux trajectoires, mais sont divisés de manière répétée, doublant ainsi le nombre de routes possibles qu'ils peuvent emprunter. En simulant ce processus avec des paramètres spécifiques, ils ont découvert que l'ajout de ces étapes de division supplémentaires ne détruit pas la délicate connexion quantique ; au contraire, cela peut augmenter considérablement la quantité d'intrication générée, même en présence de bruit environnemental qui tue habituellement de tels effets.

Le cœur de leur travail repose sur une expérience de pensée impliquant deux petites sphères, chacune agissant comme une particule quantique. Imaginez que ces sphères soient placées dans le vide, séparées par une distance de 500 micromètres. Les chercheurs ont proposé une méthode où chaque sphère est soumise à une série de « divisions » contrôlées. Lors de la première division, un champ magnétique pousse la sphère vers deux trajectoires distinctes. Dans une expérience standard, ces trajectoires finiraient par se recombiner pour vérifier si la sphère s'est intriquée avec sa partenaire. Mais dans cette nouvelle proposition, les chercheurs ont suggéré de diviser à nouveau les trajectoires. Après que la première division a créé deux trajectoires, une seconde opération divise chacune de ces trajectoires, résultant en quatre trajectoires. Une troisième division créerait huit trajectoires, et ainsi de suite. Chaque fois que les trajectoires sont divisées, le nombre de routes possibles double, créant un réseau complexe de possibilités où les deux masses interagissent gravitationnellement à travers de nombreuses distances différentes simultanément.

Les chercheurs craignaient que cette complexité ajoutée ne soit une arme à double tranchant. Plus de trajectoires signifient plus d'opportunités pour que l'environnement perturbe le système, potentiellement en détruisant l'intrication quantique avant qu'elle ne puisse être mesurée. Ils ont modélisé le système en utilisant deux sphères de diamant identiques, pesant chacune 1,5 × 10⁻¹⁴ kilogrammes, une masse suffisamment grande pour avoir une attraction gravitationnelle mesurable mais suffisamment petite pour maintenir un comportement quantique. Ils ont simulé le voyage de ces sphères sur une période de 10 secondes, tenant compte de l'attraction gravitationnelle entre elles et de l'inévitable « décohérence » causée par l'environnement, qu'ils ont modélisée comme un taux de bruit allant de 0,005 à 0,030 par seconde.

Leur analyse a révélé une résilience surprenante de la connexion quantique. Ils ont découvert que l'intrication générée par l'interaction gravitationnelle n'est pas facilement perdue lorsque le nombre de trajectoires augmente. En fait, les simulations ont montré que le protocole à deux divisions générait nettement plus d'intrication que la version à une seule division, et ce, pour tous les niveaux de bruit testés. Même dans le scénario le plus bruyant qu'ils aient considéré, où l'environnement essayait de toutes ses forces de briser la connexion, la méthode à deux divisions produisait un lien quantique bien plus fort. Les chercheurs ont dérivé une condition mathématique pour prouver que l'ajout d'une division ne peut pas réduire l'intrication en dessous d'un certain point, garantissant ainsi que la connexion quantique persiste.

Pour rendre cela pratique, l'équipe a également considéré comment lire les résultats. Dans un monde parfait, l'expérience conserverait un enregistrement détaillé de la trajectoire empruntée par chaque sphère, permettant aux scientifiques de reconstruire l'état quantique complet. Cependant, dans un scénario plus réaliste où la mémoire interne du système est limitée à seulement deux états, les trajectoires doivent être recombinées d'une manière spécifique pour extraire le signal. Les chercheurs ont développé un test précis, basé sur un contrôle mathématique spécifique, pour déterminer si ce signal recombiné montrerait plus d'intrication qu'une expérience plus simple. Leurs simulations ont confirmé que même avec cette lecture limitée, le protocole à deux divisions surpassait celui à une seule division. À la fin de la simulation de 10 secondes, la méthode à une seule division montrait une connexion quantique très faible, tandis que la méthode à deux divisions montrait une connexion près de trois fois plus forte, malgré le même niveau de bruit environnemental.

L'étude a également abordé une question critique : l'ajout de la complexité des divisions multiples raccourcit-il la durée de l'intrication ? Les chercheurs ont prouvé que ce n'est pas le cas. Ils ont démontré que si le système est intriqué après la première division, il le restera après la seconde, quels que soient les déphasages gravitationnels accumulés. Cela signifie que l'ajout d'étapes de division supplémentaires ne rend pas l'état quantique plus fragile ; cela fournit en réalité plus d'« espace » pour que l'interaction gravitationnelle construise un lien plus fort. Les chercheurs ont noté que, bien que leur travail soit actuellement une simulation, les paramètres physiques qu'ils utilisent, tels que la masse des sphères et la force des gradients magnétiques, se situent dans le domaine de ce qui est proposé pour les futures expériences.

Ce travail suggère une nouvelle direction pour sonder la nature quantique de la gravité. Au lieu d'essayer d'isoler une interaction unique et parfaite, les scientifiques pourraient être capables d'exploiter la puissance d'interactions multiples et répétées pour amplifier le signal. Les conclusions indiquent que la géométrie de l'expérience — le nombre de trajectoires empruntées par les particules — est un choix de conception crucial. En organisant soigneusement ces trajectoires, les chercheurs peuvent potentiellement surmonter les limites du bruit et détecter les faibles murmures quantiques de la gravité. L'étude ne prétend pas avoir détecté la gravité quantique, mais elle fournit un cadre théorique robuste et un ensemble clair de conditions sous lesquelles de futures expériences pourraient réussir. Elle offre une feuille de route pour construire des tests plus sensibles, montrant qu'avec la bonne configuration, la nature quantique de la gravité pourrait être à la portée de nos meilleurs interféromètres.