Étude : Un seul atome comme sonde de mesure utilise pour la première fois des informations quantiques

Professeur Dr. Artur Widera. (Photo : Koziel/TUK)

Les capteurs détectent certains paramètres tels que la température et la pression atmosphérique dans leur environnement. Les physiciens de Kaiserslautern ont réussi, pour la première fois avec un collègue de Hanovre, à utiliser un seul atome de césium comme capteur pour des températures ultrabasses. Pour déterminer les données de mesure, ils utilisent les états quantiques, la spin ou aussi le moment cinétique propre de l’atome, appelé. Grâce à cela, ils ont mesuré la température d’un gaz ultrafroid et le champ magnétique. Le système se distingue par une sensibilité particulièrement élevée. De tels capteurs pourraient à l’avenir être utilisés, par exemple, pour étudier des systèmes quantiques sans perturbation. Le travail a été publié dans la revue spécialisée renommée « Physical Review X ».

Lors de leurs expériences, les scientifiques dirigés par le professeur Dr. Artur Widera, qui recherche sur les systèmes quantiques, observent des atomes de césium individuels dans un gaz de rubidium, refroidi jusqu’à presque le zéro absolu – la température n’est ici qu’un milliardième de degré au-dessus de ce zéro. Dans leur étude actuelle, ils ont examiné si les états de spin de l’atome de césium pouvaient être exploités pour obtenir des informations. « Par le terme spin, on désigne le moment cinétique propre d’un atome », explique le professeur Widera de l’Université technique de Kaiserslautern (TUK). « Pour le césium, il existe sept possibilités différentes pour ce spin. » L’objectif principal des expériences était la température du gaz.

Lorsqu’un seul atome de césium est introduit dans le gaz de rubidium, les atomes de rubidium entrent en collision avec lui. « Lors de ces collisions, le moment cinétique peut être échangé entre les atomes jusqu’à ce qu’un équilibre des spins soit atteint », explique le Dr Quentin Bouton, scientifique principal et premier auteur de l’étude. Les chercheurs mesurent le spin de l’atome individuel et peuvent ainsi déterminer la température. La validité de cette méthode est confirmée par une comparaison avec des méthodes de mesure classiques, où les physiciens obtiennent la même valeur de température.

Ce qui rend cette étude particulière, c’est la sensibilité élevée lors de la mesure. Lors d’une mesure typique, le capteur est mis en contact avec le gaz froid et on attend qu’un équilibre s’établisse. « Pour les capteurs quantiques, il existe en fait une limite fondamentale de sensibilité en équilibre. Cependant, nous avons déjà intégré à l’avance des informations sur les interactions entre le césium et le rubidium, ce qui nous a permis de ne pas devoir attendre que l’atome soit en équilibre avec le gaz de rubidium », poursuit Bouton. Cela confère au système de mesure des chercheurs de Kaiserslautern une sensibilité environ dix fois supérieure à la limite quantique fondamentale. « Nous n’avons besoin que de trois rotations de spin, c’est-à-dire trois collisions atomiques, pour obtenir un résultat », ajoute Bouton. La perturbation du gaz de rubidium est ainsi limitée à seulement trois quanta. C’est une étape importante vers une mesure aussi peu perturbante que possible de systèmes quantiques sensibles, qui sont intéressants pour les applications futures en technologie quantique.

« Nous avons ici utilisé pour la première fois un seul atome comme capteur, qui exploite des informations quantiques et qui est nettement meilleur qu’un capteur classique », souligne Widera. Les physiciens ont également réalisé cette expérience avec des champs magnétiques et ont enregistré les états magnétiques. Leur système, en tant que capteur sensible, est par exemple adapté pour étudier des systèmes quantiques fragiles presque sans les détruire.

En plus du groupe de travail du professeur Widera, le professeur Dr. Eberhard Tiemann de Hanovre a participé à cette étude. La recherche est publiée dans la revue renommée Physical Review X : « Single-Atom Quantum Probes for Ultracold Gases Boosted by Nonequilibrium Spin Dynamics »
DOI : 10.1103/PhysRevX.10.011018

Questions répondues par :
Prof. Dr. Artur Widera
Unité d’enseignement sur les systèmes quantiques individuels
E-mail : widera(at)physik.uni-kl.de
Tél. : 0631 205-4130