Mesurer le temps autrement

Mesurer le temps dans notre monde de montres qui tictent et de pendules qui oscillent est aussi simple que de compter les secondes entre “avant” et “maintenant”.

Cependant, à l’échelle quantique, où les électrons bourdonnent de manière imprévisible, “avant” devient difficile à situer et “maintenant” se dissout souvent dans l’incertitude. Dans de tels cas, un chronomètre traditionnel devient inefficace.

Une réponse possible pourrait résider dans la structure même du brouillard quantique, comme le suggère une étude de 2022 menée par des chercheurs de l’Université d’Uppsala en Suède.

Leurs expériences se sont concentrées sur le comportement ondulatoire d’un phénomène connu sous le nom d’état de Rydberg, mettant en lumière une méthode unique pour mesurer le temps qui ne dépend pas d’un point de départ précis.

Les géants quantiques énergisés par des lasers

Les atomes de Rydberg, souvent décrits comme les “ballons sur-gonflés” des particules, se forment lorsque des lasers énergisent les atomes, propulsant leurs électrons dans des états à haute énergie qui les amènent à orbiter loin du noyau.

Chaque impulsion laser n’a pas besoin de gonfler un atome à des proportions exagérées. Les lasers sont couramment utilisés pour exciter les électrons dans des états d’énergie plus élevés à diverses fins.

Dans certains cas, un second laser suit le mouvement de l’électron, y compris les changements au fil du temps. Ces méthodes “pompe-sonde” sont utiles pour mesurer la vitesse des processus électroniques ultrarapides, entre autres applications.

Faire progresser l’informatique quantique et au-delà

Induire les atomes dans des états de Rydberg est une technique précieuse pour les ingénieurs, notamment dans le développement de composants avancés pour les ordinateurs quantiques. Au fil du temps, les physiciens ont accumulé des connaissances approfondies sur le comportement des électrons lorsqu’ils sont poussés dans un état de Rydberg.

Cependant, ces comportements quantiques ressemblent davantage à un jeu de roulette chaotique qu’au mouvement ordonné des billes sur un abaque, chaque roulis et saut étant comprimé en un seul événement imprévisible.

Le cadre mathématique régissant cette “roulette électronique de Rydberg” erratique est appelé un paquet d’ondes de Rydberg.

Comme les ondes physiques, plusieurs paquets d’ondes de Rydberg interagissant dans un espace créent des interférences, produisant des motifs d’ondulation uniques.

En introduisant suffisamment de paquets d’ondes de Rydberg dans un système atomique, ces motifs deviennent des marqueurs distincts du temps nécessaire à l’évolution des paquets d’ondes les uns par rapport aux autres.

Les physiciens à l’origine de ces expériences ont cherché à tester les “empreintes” du temps, démontrant qu’elles étaient suffisamment cohérentes et fiables pour servir de méthode de timestamping quantique.

Des atomes d’hélium excités par laser révèlent des horodatages quantiques

Leur travail consistait à analyser des atomes d’hélium excités par laser et à comparer les résultats aux prédictions théoriques. Cela a montré que les signatures uniques des motifs d’interférence pouvaient représenter des durées de temps.

“Normalement, il faut définir zéro lorsqu’on utilise un compteur, on commence à compter à partir d’un point spécifique”, a expliqué la physicienne Marta Berholts de l’Université d’Uppsala en 2022. “L’avantage ici est qu’il n’est pas nécessaire de démarrer une horloge, on examine simplement la structure d’interférence et on détermine, par exemple, ‘il s’est écoulé 4 nanosecondes.'”

Un catalogue des motifs évolutifs des paquets d’ondes de Rydberg pourrait compléter d’autres techniques de spectroscopie pompe-sonde, permettant des mesures précises d’événements à une échelle où définir “maintenant” et “avant” est impraticable.

Ces empreintes ne nécessitent pas de point de départ ou d’arrêt traditionnel pour le temps. C’est comme chronométrer un sprinteur inconnu en le comparant à des coureurs dont la vitesse est connue.

En identifiant les motifs d’interférence dans les états de Rydberg dans un échantillon d’atomes pompe-sonde, les chercheurs pourraient horodater des événements aussi brefs que 1,7 trillionième de seconde.

Des expériences futures pourraient étendre la polyvalence de la méthode en utilisant d’autres atomes ou des impulsions laser de différentes énergies, créant ainsi un catalogue d’horodatages plus large pour des conditions diverses.

---

Lire l’article original sur : Science Alerrt

Lire la suite : Scitke