Les physiciens ont filmé le moment où un atome subit une mesure quantique

Les physiciens ont filmé le moment où un atome subit une mesure quantique

 

Avant qu’il ne soit observé, un électron est un gâchis chaud de possibilité. Tout comme le chat métaphorique de Schrödinger, ce n’est qu’une fois que nous avons soulevé le couvercle de sa boîte métaphorique et jeté un œil attentif qu’un électron se positionne clairement autour d’un atome.

 

Nous avons maintenant regardé de plus près comment ce règlement se produit. En prenant une série d’instantanés d’un ion strontium contenu dans un champ électrique, une équipe de physiciens de Suède, d’Allemagne et d’Espagne a découvert que la transition d’un électron de “ peut-être ” à “ réalité ” n’était pas tout à fait une affaire de tout ou rien.

Pendant la majeure partie du siècle, il a été assez clair que l’Univers que nous vivons dans notre vie quotidienne n’est pas tout à fait comme celui que nous voyons lorsque nous essayons de le regarder de près.

Une conséquence extraordinaire de l’étrangeté au cœur de la physique est que les objets ne peuvent être décrits qu’en utilisant des ensembles de probabilités appelés superpositions – jusqu’à ce que nous les poussions avec des sondes et les bombardions de lumière pour déterminer avec certitude leur taille et leur nature .

Dans notre monde classique des absolus, c’est difficile à imaginer. Même le célèbre physicien Erwin Schrödinger s’est moqué de l’idée quand il l’a entendue pour la première fois, posant une expérience de pensée impliquant un chat imaginaire qui était à la fois vivant et mort jusqu’à ce que nous regardions.

Ce n’est qu’en ouvrant la boîte et en observant que la vie potentielle du chat est soit maintenue, soit éteinte, du moins aux yeux de l’observateur.

Schrödinger l’a trouvé idiot, tout comme Einstein, mais depuis lors, il a été montré à maintes reprises que le chat métaphorique est en effet une description précise du fonctionnement de la physique.

Une question qui reste est de savoir s’il existe une telle chose comme une mesure quantique idéale, une mesure qui peut mesurer des aspects d’un système sans provoquer l’effondrement de sa superposition entière dans une réponse finale.

Dans les années 40, le mathématicien américano-hongrois John von Neumann pensait que mesurer une partie d’un système quantique – comme la position d’un électron sur une orbite – créerait un bruit quantique suffisant à tout abandonner sa nature probabiliste.

Des années plus tard, un physicien théoricien allemand nommé Gerhart Lüders a contesté les hypothèses de von Neumann, soulignant que certaines qualités indécises des possibilités d’une particule pouvaient persister même si d’autres devenaient claires.

Bien que les physiciens soient d’accord avec Lüders en théorie, ce n’est pas la chose la plus facile à démontrer expérimentalement, en s’appuyant sur la mesure de certaines actions qui se produisent naturellement de manière à ne pas interférer les unes avec les autres.

Les chercheurs se sont installés sur un atome de strontium avec des électrons manquants, piégeant l’ion de manière à ne pas savoir dans laquelle des deux orbites se trouvent les électrons restants, les laissant dans un frottis de tous les deux.

C’est plus ou moins la même configuration utilisée dans de nombreux ordinateurs quantiques . Un laser force ensuite la superposition d’électrons dans l’ion à se déplacer, le décalage potentiel en orbite étant confirmé en détectant la lumière émise lorsque l’électron se remet en place.

Ce n’est que sur détection de la lumière que l’on peut considérer la position absolue de l’électron comme verrouillée en place.

“Chaque fois que nous mesurons l’orbite de l’électron, la réponse de la mesure sera que l’électron était soit sur une orbite inférieure ou supérieure, jamais quelque chose entre les deux”, dit Fabian Pokorny, physicien à l’Université de Stockholm.

“La mesure dans un sens oblige l’électron à décider dans lequel des deux états il se trouve.”

La capture de nombreux photons lors de la rotation de l’ion strontium dans différents états avec un laser séparé a fourni à l’équipe une image de l’évolution du processus qui s’est déroulé sur un millionième de seconde.

Ils ont découvert que la transition du système quantique de peut-être à réellement n’est pas une affaire absolue. Des aspects de celui-ci peuvent être mesurés, comme le lieu de repos final de l’électron, tout en laissant certaines caractéristiques de sa superposition intactes et indécises. Tout comme Lüders l’avait soutenu.

“Ces découvertes apportent un éclairage nouveau sur le fonctionnement interne de la nature et sont conformes aux prédictions de la physique quantique moderne”, dit le chercheur principal Markus Hennrich, également physicien à l’Université de Stockholm.

De plus, ce changement n’est pas instantané. En prenant des instantanés de l’atome alors que l’un de ses électrons adopte une orbite claire, l’équipe a montré que le changement se déroule, comme si la transition d’une incertitude totale vers une orbite spécifique était une question de probabilité croissante, plutôt qu’une décision soudaine.

Ce n’est pas la première expérience à montrer comment les sauts quantiques dans la possibilité d’un électron est un processus qui se déroule comme “ l’éruption d’un volcan “, plutôt qu’un interrupteur. Mais cela ajoute quelques détails intéressants à la façon dont ce changement se produit qui permet de telles mesures idéales.

Malheureusement, rien de tout cela ne nous dit ce que signifie une transition des possibilités quantiques en une mesure claire dans le grand schéma des choses, sans parler de la façon de penser au pauvre chat de Schrödinger qui attend patiemment dans l’obscurité.

Tout ce que nous savons, c’est que soulever le couvercle du pauvre animal ne le prive pas complètement de son mystère. Même s’il risque une mort plus lente que von Neumann n’aurait pu l’imaginer.

Cette recherche a été publiée dans Physical Review Letters .

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