Quantum Tensor Magnetometry with Bright Multi-Dimensional Entangled Lights

Imaginez que vous essayez d'écouter un chuchotement dans une pièce très bruyante. Habituellement, le « bruit » provient du tremblement aléatoire des particules de lumière (photons) frappant votre oreille, une limite que les scientifiques appellent la « limite quantique standard ». Depuis longtemps, les physiciens quantiques essaient de calmer ce bruit pour entendre les signaux les plus infimes, comme les champs magnétiques autour de nos cerveaux ou du noyau de la Terre.

La plupart des tentatives précédentes consistaient à essayer de régler une radio pour n'entendre qu'une seule station (un nombre unique, comme l'intensité d'un champ magnétique). Mais la vie réelle est plus complexe. Les champs magnétiques ne sont pas seulement forts ou faibles ; ils ont aussi une direction. Mesurer à la fois la force et la direction en même temps, c'est comme essayer de régler une radio pour entendre deux stations différentes parfaitement clairement sans que le statique ne les mélange. C'est ce qu'on appelle la mesure « tensorielle », et c'est notoirement difficile car le bruit gâche généralement l'une des mesures.

La grande percée
Dans cet article, une équipe de chercheurs de l'Université Jiao Tong de Shanghai et de l'Université Dianzi de Hangzhou affirme avoir trouvé un moyen de calmer le bruit pour les deux mesures à la fois. Ils n'ont pas seulement construit une meilleure radio ; ils ont créé un type de « lumière quantique » spécial qui agit comme un détective multidimensionnel très intelligent.

La lumière « magique »
Pour comprendre leur astuce, imaginez deux paires de danseurs. Dans les expériences plus anciennes, les scientifiques associaient un danseur à une scène très calme et vide (le vide) et l'autre à un projecteur brillant et bruyant (un faisceau laser cohérent). Cela fonctionnait assez bien pour une seule chose, mais le projecteur brillant introduisait son propre bruit, rendant impossible l'écoute claire du danseur silencieux si la musique changeait.

Les auteurs soutiennent que cette ancienne méthode (utilisant un mélange de lumière brillante et de vide comprimé) est fondamentalement limitée. C'est comme essayer de mesurer un chuchotement pendant que quelqu'un crie à côté de vous ; les cris étouffent les détails subtils.

Au lieu de cela, ces chercheurs ont créé quelque chose de nouveau qu'ils appellent les lumières m-CVPE. Voyez cela comme deux paires de danseurs qui sont toutes deux parfaitement synchronisées et chuchotent en parfaite harmonie. Ils ont généré cette lumière à l'aide d'un nuage chaud d'atomes (comme une pièce brumeuse remplie de minuscules toupies tournant sur elles-mêmes) et d'un processus appelé « mélange à quatre ondes ».

La magie de leur lumière réside dans le fait qu'elle comprime le bruit dans trois directions différentes en même temps.

• Imaginez un ballon. Généralement, si vous pressez un point, il gonfle ailleurs.
• Dans leur lumière, ils ont réussi à comprimer le « gonflement » (le bruit) dans trois directions spécifiques simultanément.
• Cela signifie que leur lumière est incroyablement calme, peu importe la direction dans laquelle vous regardez, permettant de mesurer deux choses à la fois sans que le bruit ne s'interpose.

L'expérience : Un gradiomètre magnétique
Pour tester cela, ils ont construit un « gradiomètre magnétique ». Imaginez deux capteurs, le Capteur A et le Capteur B, placés à une courte distance l'un de l'autre. Ils observent un champ magnétique qui pourrait être légèrement plus fort au Capteur A qu'au Capteur B, ou qui pointe dans une direction légèrement différente.

• Le but : Mesurer la différence de force (gradient d'amplitude) et la différence de direction (gradient directionnel).
• L'ancienne méthode : Sans cette lumière spéciale, les capteurs sont limités par le « bruit de grenaille de photons » (le tremblement aléatoire de la lumière).
• La nouvelle méthode : Ils ont fait passer leur lumière intriquée, brillante et multidimensionnelle, à travers les capteurs.

Les résultats : Ce qu'ils ont réellement mesuré
L'article rapporte qu'en utilisant cette nouvelle lumière, ils ont obtenu une amélioration quantique de 6 dB. Dans le monde de la physique, une amélioration de 6 dB signifie qu'ils ont réduit le bruit d'un facteur quatre, rendant le signal quatre fois plus clair qu'auparavant.

Voici les chiffres exacts qu'ils ont mesurés :

• Sensibilité directionnelle : Ils ont pu détecter un changement dans la direction du champ magnétique aussi petit que 21 µrad/cm/√Hz.
• Sensibilité d'amplitude : Ils ont pu détecter un changement dans la force du champ magnétique aussi petit que 6 fT/cm/√Hz.

Pour mettre cela en perspective, leur configuration a été capable de voir ces différences minuscules bien mieux qu'un capteur standard (qui était limité à environ 50 µrad/cm/√Hz pour la direction et 11 fT/cm/√Hz pour la force) ou même qu'un « gradiomètre » standard qui utilise simplement deux capteurs sans la lumière spéciale.

Ce qu'ils n'ont pas fait (et ce contre quoi ils argumentent)
Il est important de noter ce que cet article ne prétend pas :

• Ils n'ont pas prétendu avoir résolu le problème pour chaque mesure de champ magnétique de l'univers. Ils ont spécifiquement mesuré deux composantes du gradient (∂zBz et ∂zBy).
• Ils argumentent explicitement contre l'idée que l'on puisse obtenir ce niveau de sensibilité simultanée en utilisant l'ancienne méthode « hybride » (mélangeant de la lumière comprimée avec un faisceau laser brillant). Ils démontrent que dans l'ancienne méthode, le bruit dans une direction se mélange toujours avec l'autre, ruinant la mesure. Leur nouvelle méthode est nécessaire car elle comprime le bruit dans toutes les bonnes directions à la fois.
• Ils n'ont pas fait de simulation sur ordinateur. Ce sont des mesures physiques réelles prises dans un laboratoire avec de vrais atomes et de la vraie lumière.

À retenir
Ce travail est une étape importante car il prouve que nous pouvons utiliser la lumière quantique « brillante » (avec beaucoup de photons, pas seulement quelques-uns) pour mesurer des choses complexes et multidimensionnelles comme les gradients de champs magnétiques avec une précision extrême. Bien que les auteurs suggèrent que cela pourrait éventuellement aider à la navigation ou à la télédétection, l'article lui-même se concentre sur le fait qu'ils ont réussi à construire le premier capteur quantique à haute sensibilité pour ces champs tensoriels spécifiques.

Ils ont effectivement augmenté le volume du chuchotement et baissé celui du statique, montant ainsi que, avec le bon type de lumière intriquée, nous pouvons entendre les secrets magnétiques les plus ténus de l'univers bien plus clairement que jamais.