Schémas de la configuration expérimentale. a L’ensemble de spins est sondé par une lumière hors résonance polarisée linéairement avec une forme de mode spatial en forme de chapeau. L’angle de polarisation de la sonde α par rapport à l’axe x est ajusté pour la mesure QND du spin atomique collectif. Une lame quart d’onde et une lame demi-onde définissent la phase en quadrature ϕ détectée par l’homodynage de polarisation. b Lorsqu’il est préparé dans un état hautement polarisé (spin cohérent), l’ensemble atomique peut être décrit comme un système à deux niveaux, présentant ainsi le comportement d’un oscillateur harmonique. Plus précisément, nous pouvons préparer l’oscillateur atomique avec la masse négative effective, créant ainsi une population de spin inversé. c L’effet de compression pondéromotrice, provenant des corrélations croisées entre QBAN et SN, peut être interprété comme un déplacement virtuel de la fréquence de résonance. Crédit: Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-42059-y
Des chercheurs de l’Institut Niels Bohr (NBI) ont levé un obstacle majeur au développement de dispositifs de surveillance extrêmement sensibles basés sur la technologie quantique.
La surveillance du rythme cardiaque d’un enfant à naître et d’autres types d’examens médicaux délicats montrent le potentiel des capteurs quantiques. Puisque ces capteurs exploitent des phénomènes à l’échelle des atomes, ils peuvent être bien plus précis que les capteurs actuels.
Des chercheurs de l’Institut Niels Bohr (NBI) de l’Université de Copenhague ont réussi à surmonter un obstacle majeur au développement de capteurs quantiques. Leurs résultats sont publiés dans Communications naturelles.
Tous les processus vitaux impliquent d’infimes variations des champs magnétiques et de la conductivité des tissus. Les capteurs quantiques peuvent détecter ces variations extrêmement faibles. Cependant, un défi majeur consiste à distinguer les signaux d’intérêt des différents types de bruit. C’est ce problème que le groupe NBI a contribué à résoudre.
“Les capteurs quantiques sont devenus l’une des premières applications de la nanotechnologie. Nos découvertes rapprochent ces capteurs des applications. J’espère que nous verrons les premières mises en œuvre pratiques dans quelques années”, déclare le professeur au NBI Eugene Polzik, auteur principal de l’étude scientifique. article.
Outre l’anomalie cardiaque, plusieurs autres anomalies possibles peuvent être recherchées. Tout cela pendant que le patient repose tranquillement. De nombreux autres examens, comme la surveillance du cerveau, peuvent être rendus possibles ou améliorés grâce aux capteurs quantiques.
Entendre le bruit du monde quantique
Les comportements des atomes, des électrons et des photons sont décrits par la mécanique quantique. Les particules n’ont pas seulement des propriétés physiques données, mais existent également dans certains états. La méthode de détection quantique commence par préparer les états quantiques de la lumière à utiliser pour lire un signal. L’état quantique de la lumière est envoyé pour interagir avec un système quantique de sonde qui est affecté par les forces ou les champs que l’on souhaite détecter. Après l’interaction, la lumière transporte les informations sur la quantité mesurée et peut être détectée avec une grande précision.
“L’ingénierie du système de sonde quantique doit être conçue sur mesure pour s’adapter au signal d’intérêt. C’est l’un des principaux défis de la détection quantique, car il est difficile d’éliminer complètement le bruit indésirable”, explique Polzik.
Même après l’élimination des sources traditionnelles de bruit, telles que les équipements électroniques dans la pièce, etc., les effets de la mécanique quantique persisteront. Contrairement à la physique traditionnelle, la mécanique quantique donnera l’état quantique et d’autres propriétés d’une particule sous forme de fonction de probabilité, ou d’incertitude si vous préférez.
L’une des sources de bruit quantique est l’incertitude associée à l’arrivée de particules lumineuses (photons) au niveau du détecteur. C’est ce qu’on appelle le bruit de tir.
De plus, à mesure que les photons transfèrent leur élan au capteur de la sonde, l’acte d’interaction lui-même est également une source de bruit quantique. C’est ce qu’on appelle la rétroaction quantique.
Dans leur article scientifique, l’équipe démontre une méthode pour « entendre » le bruit provenant du monde quantique, permettant ainsi de le supprimer afin que le véritable signal d’intérêt demeure.
Application future en astrophysique
Outre les examens médicaux, les capteurs quantiques magnétiques peuvent trouver des applications dans de nombreux autres domaines. Un exemple est la détection des ondes gravitationnelles. Initialement décrite théoriquement par Albert Einstein, l’existence des ondes gravitationnelles cosmiques est bien établie.
Cependant, comme la signature des ondes gravitationnelles est faible par rapport à d’autres types de signaux cosmiques, les méthodes existantes de surveillance des ondes gravitationnelles doivent être améliorées.
Des capteurs quantiques magnétiques combinés à des antennes à ondes gravitationnelles pourraient bien être une réponse au défi de la surveillance des ondes gravitationnelles, et contribuer ainsi à une compréhension plus approfondie de l’origine et du développement de l’univers.
Plus d’information:
Jun Jia et al, Oscillateur de spin atomique à fréquence acoustique en régime quantique, Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-42059-y
Fourni par l’Institut Niels Bohr
Citation: La recherche surmonte un obstacle majeur au développement de capteurs quantiques (8 novembre 2023) récupéré le 8 novembre 2023 sur
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