Le chat de Schrödinger atteint un record grâce aux atomes de Rydberg

Les physiciens semblent incapables de cesser de « nourrir » le chat de Schrödinger.

Ce félin théorique est passé du gabarit de Slinky Malinki à celui de Butterball Brown, et il continue de grossir.

Pas au sens littéral, bien sûr. Les physiciens cherchent plutôt à éloigner toujours davantage les états quantiques en superposition, afin de déterminer jusqu’où ils peuvent s’approcher du domaine de la physique classique avant que le chat ne cesse d’être celui de Schrödinger.

Des scientifiques allemands viennent ainsi de créer une version optique record de cette célèbre expérience de pensée, à l’aide de certains des atomes les plus étranges connus en physique.

En exploitant des atomes particulièrement dilatés, dits atomes de Rydberg, une équipe dirigée par le physicien Hendrik Hegels, de l’Institut Max-Planck d’optique quantique, a produit un chat de Schrödinger bien dodu : des états de chat optiques dont la taille constitue, selon les chercheurs, un « record mondial ».

Plus le chat grossit, plus les physiciens peuvent examiner de près l’un des mystères les plus persistants de la mécanique quantique : où se termine exactement le monde quantique et où commence le nôtre ?

Le chat de Schrödinger face à la frontière quantique

La question est particulièrement épineuse.

La mécanique quantique décrit avec une extraordinaire précision le comportement du monde subatomique. La physique classique rend tout aussi bien compte du monde à plus grande échelle dans lequel nous vivons au quotidien. Mais lorsqu’on tente d’appliquer les règles de l’une au domaine de l’autre, les choses se compliquent.

Il existe quelque part une frontière où les étranges possibilités du domaine quantique deviennent les certitudes du monde classique. Comment et pourquoi cette transition se produit reste une immense énigme.

Le chat de Schrödinger est entré en scène en 1935, même si l’expérience ne portait pas vraiment sur le félin lui-même.

Le physicien autrichien Erwin Schrödinger l’avait imaginée pour illustrer ce qui se produit lorsque l’on étend au monde quotidien le concept quantique déroutant de superposition.

Dans cet exemple hypothétique, un chat est enfermé dans une boîte avec un mécanisme déclenché par un événement quantique aléatoire, susceptible de le tuer ou non.

Tant que la boîte reste fermée et que le résultat n’a pas été observé, la mécanique quantique décrit le système comme une superposition des deux possibilités : le chat est à la fois vivant et mort. C’est un exemple de ces « étranges possibilités ».

Dans le domaine quantique, la superposition n’est pas une absurdité abstraite mettant en scène des animaux domestiques : c’est un phénomène réel, que l’on peut créer et mesurer.

Les scientifiques peuvent même superposer des états très différents. Plus l’écart entre eux est grand, plus l’état de chat de Schrödinger obtenu est dit « gros ». Imaginez, au lieu d’un chat simplement mort ou vivant, un squelette fossilisé dans un cas et un chat faisant des claquettes dans l’autre.

À mesure que les états s’éloignent, leur fragile relation quantique devient plus vulnérable aux perturbations de l’environnement. Ce processus porte le nom de décohérence.

Des atomes de Rydberg pour un chat optique

C’est ici que les atomes de Rydberg entrent en jeu.

Un atome ordinaire se compose d’un noyau entouré d’un minuscule essaim d’électrons. Si on lui apporte de l’énergie, un électron peut passer à un état plus énergétique, plus éloigné du noyau, ce qui agrandit très légèrement l’atome.

Un atome de Rydberg apparaît lorsqu’on donne beaucoup d’énergie à l’un de ces électrons, dans des conditions qui lui permettent de rester lié à l’atome. Son orbite peut alors s’étendre étonnamment loin du noyau, rendant l’atome immense à l’échelle atomique. L’électron excité est presque aussi faiblement lié qu’il peut l’être sans s’échapper.

Cette faible liaison donne aux atomes de Rydberg des comportements amplifiés, utiles pour mener des expériences.

Pour Hendrik Hegels et ses collègues, ces propriétés offraient un moyen de relever leur défi : créer un chat de Schrödinger optique dont les deux états seraient plus éloignés que jamais, tout en préservant leur fragile cohérence quantique.

Parmi ces comportements amplifiés figure notamment la force avec laquelle les atomes de Rydberg interagissent entre eux. Lorsqu’un atome est excité dans un état de Rydberg, son influence peut empêcher les atomes voisins de subir la même excitation. Ce phénomène est appelé blocage de Rydberg.

Les chercheurs se sont servis de ce blocage pour que des particules de lumière, les photons, exercent une influence indirecte les unes sur les autres.

Ils sont partis d’un nuage d’atomes pouvant être excités dans des états de Rydberg, piégé entre deux miroirs. Ceux-ci faisaient traverser le nuage à la lumière à plusieurs reprises, renforçant l’interaction entre la lumière et les atomes. Ce dispositif est appelé cavité optique.

Les chercheurs y ont envoyé deux impulsions lumineuses successives. La première, dite « de contrôle », déterminait pour l’essentiel ce qui arriverait à la seconde, dite « cible ».

C’est là que la physique quantique entre en scène.

La lumière peut être polarisée : ses ondes électromagnétiques peuvent être orientées dans différentes directions. La lumière de contrôle avait été préparée dans une superposition de deux polarisations. Au lieu de présenter l’une ou l’autre de façon certaine, elle possédait les deux à la fois sur le plan quantique.

L’appareil séparait ces deux possibilités en leur faisant suivre des chemins différents. L’une contournait simplement le nuage atomique. L’autre interagissait avec les atomes et y laissait temporairement son information quantique sous forme d’une excitation de Rydberg : un électron porté à l’état de haute énergie décrit plus haut.

En superposition, le nuage atomique contenait donc à la fois cette excitation de Rydberg et ne la contenait pas.

Les chercheurs ont ensuite envoyé la lumière cible.

Le blocage de Rydberg intervenait alors : la lumière cible interagissait différemment avec le nuage selon que l’excitation stockée était présente ou non. Dans l’une des possibilités, elle revenait de la cavité avec une onde décalée par rapport à celle de l’autre possibilité.

Puisque l’excitation stockée était dans une superposition de présence et d’absence, la lumière cible connaissait les deux possibilités. Elle se retrouvait dans une superposition de deux états, chacun lié à l’un des deux états de la lumière de contrôle.

Et voilà le chat.

Un record de taille pour le chat de Schrödinger

Ici, les deux possibilités ne correspondaient ni à la vie et à la mort, ni à un squelette fossilisé et à un chat faisant des claquettes. Il s’agissait de deux états lumineux dont les ondes présentaient des phases différentes. Plus les chercheurs parvenaient à les éloigner tout en maintenant leur lien quantique, plus leur chat optique grossissait.

Et celui-ci est devenu bien dodu. Pour ces chats optiques, la taille peut être exprimée par une grandeur appelée alpha au carré (α²). Hendrik Hegels et ses collègues ont atteint 2,4, dépassant nettement le précédent record de 1,4 pour ce type précis d’état de chat optique.

Produire deux états lumineux différents ne suffisait toutefois pas : l’équipe devait aussi démontrer que la cohérence quantique avait été préservée.

C’est la différence essentielle entre un chat de Schrödinger et deux états de lumière simplement présents, sans lien l’un avec l’autre.

En effectuant de nombreuses mesures de la lumière, les chercheurs ont détecté une signature caractéristique du comportement quantique dans les six états de chat créés. Ils ont ainsi confirmé que, même en grossissant, les chats n’avaient pas perdu leur étrangeté quantique fondamentale.

Les chats plus gros ne servent pas seulement à sonder la frontière entre physique quantique et physique classique. Rendre leurs deux états plus distincts tout en préservant leur lien quantique pourrait aussi les rendre plus utiles au stockage et au traitement de l’information quantique.

Selon les chercheurs, leur travail laisse encore de la place pour un dessert. Plusieurs éléments de l’expérience pourraient être améliorés, ce qui permettrait peut-être de créer à l’avenir des chats encore plus gros.

Quelque part entre les domaines quantique et classique se trouve un point où le chat de Schrödinger doit cesser de grossir. Faire gonfler sa fourrure pourrait être une façon de le trouver.

L’article scientifique, qui n’a pas encore été évalué par les pairs, est disponible sur le serveur de prépublications arXiv.

Cet article a été vérifié et édité par Peter Dockrill. Bien que nous soyons fiers de notre processus, nous restons humains. Si vous repérez une erreur, merci de nous le signaler.