Les photons quantiques intriqués réagissent à la rotation de la Terre

Une équipe de chercheurs dirigée par Philip Walther de l’Université de Vienne a mené une expérience pionnière dans laquelle ils ont mesuré l’effet de la rotation de la Terre sur les photons quantiques intriqués. L'ouvrage, publié dans Avancées scientifiquesreprésente une réalisation importante qui repousse les limites de la sensibilité à la rotation dans les capteurs basés sur l'intrication, ouvrant potentiellement la voie à une exploration plus approfondie à l'intersection entre la mécanique quantique et la relativité générale.

Les interféromètres optiques Sagnac sont les appareils les plus sensibles aux rotations. Ils ont joué un rôle central dans notre compréhension de la physique fondamentale depuis les premières années du siècle dernier, contribuant à établir la théorie restreinte de la relativité d’Einstein. Aujourd’hui, leur précision inégalée en fait l’outil ultime pour mesurer les vitesses de rotation, limité uniquement par les limites de la physique classique.

Les interféromètres utilisant l’intrication quantique ont le potentiel de briser ces limites. Si deux particules ou plus sont intriquées, seul l’état global est connu, tandis que l’état de chaque particule individuelle reste indéterminé jusqu’à la mesure. Cela peut être utilisé pour obtenir plus d’informations par mesure qu’il ne serait possible sans cela. Cependant, le saut quantique promis en matière de sensibilité a été entravé par la nature extrêmement délicate de l’intrication. C’est ici que l’expérience de Vienne a fait la différence.

Les chercheurs ont construit un interféromètre Sagnac géant à fibre optique et ont maintenu le bruit faible et stable pendant plusieurs heures. Cela a permis de détecter suffisamment de paires de photons intriqués de haute qualité pour surpasser de mille fois la précision de rotation des précédents interféromètres optiques quantiques de Sagnac.

Dans un interféromètre Sagnac, deux particules se déplaçant dans des directions opposées sur un chemin fermé en rotation atteignent le point de départ à des moments différents. Avec deux particules intriquées, cela devient effrayant : elles se comportent comme une seule particule testant simultanément les deux directions tout en accumulant deux fois plus de retard par rapport au scénario dans lequel aucun intrication n'est présent.

Cette propriété unique est connue sous le nom de super-résolution. Dans l'expérience réelle, deux photons intriqués se propageaient à l'intérieur d'une fibre optique de 2 kilomètres de long enroulée sur une énorme bobine, créant ainsi un interféromètre d'une surface effective de plus de 700 mètres carrés.

Un obstacle important auquel les chercheurs ont été confrontés était d'isoler et d'extraire le signal de rotation constante de la Terre. “Le cœur du problème réside dans l'établissement d'un point de référence pour nos mesures, où la lumière ne reste pas affectée par l'effet de rotation de la Terre. Compte tenu de notre incapacité à empêcher la Terre de tourner, nous avons conçu une solution de contournement : diviser la fibre optique en deux bobines de longueur égale et en les connectant via un commutateur optique”, explique l'auteur principal Raffaele Silvestri.

En allumant et éteignant l’interrupteur, les chercheurs ont pu effectivement annuler le signal de rotation à volonté, ce qui leur a également permis d’étendre la stabilité de leur grand appareil. “Nous avons essentiellement trompé la lumière en lui faisant croire qu'elle se trouve dans un univers non rotatif”, explique Silvestri.

L'expérience, menée dans le cadre du réseau de recherche TURIS hébergé par l'Université de Vienne et l'Académie autrichienne des sciences, a permis d'observer avec succès l'effet de la rotation de la Terre sur un état à deux photons intriqués au maximum. Cela confirme l'interaction entre les systèmes de référence rotatifs et l'intrication quantique, telle que décrite dans la théorie spéciale de la relativité et de la mécanique quantique d'Einstein, avec une précision mille fois supérieure à celle des expériences précédentes.

“Cela représente une étape importante puisque, un siècle après la première observation de la rotation de la Terre avec la lumière, l'intrication de quanta individuels de lumière est enfin entrée dans les mêmes régimes de sensibilité”, explique Haocun Yu, qui a travaillé sur cette expérience en tant que chercheur Marie-Curie. Boursier postdoctoral.

“Je pense que nos résultats et notre méthodologie ouvriront la voie à de nouvelles améliorations de la sensibilité à la rotation des capteurs basés sur l'intrication. Cela pourrait ouvrir la voie à de futures expériences testant le comportement de l'intrication quantique à travers les courbes de l'espace-temps”, ajoute Philip Walther.