Des physiciens filment la transition quantique d’un atome

piege strontium
| F. Pokorny et al. 2020

Tant qu’il n’est pas mesuré, un système quantique se trouve simultanément dans un nombre illimité d’états quantiques. Un phénomène appelé « principe de superposition ». Lorsqu’un observateur effectue la mesure, la fonction d’onde s’effondre et, selon les probabilités afférentes à celle-ci, un état défini est fixé. Cependant, selon l’interprétation moderne de la mécanique quantique, la transition d’un système quantique n’est pas instantanée ni absolue, des propriétés indéfinies pouvant persister. Des chercheurs ont filmé cette transition en détails et ont pu confirmer cet état de fait.

En capturant une série d’images d’un ion strontium contenu dans un champ électrique, une équipe de physiciens de Suède, d’Allemagne et d’Espagne, a découvert que la mesure d’un électron en état de superposition ne fait pas s’effondrer totalement la fonction d’onde, mais peut laisser certaines propriétés de l’état quantique indéfinies. En outre, la transition quantique n’est en réalité pas instantanée. L’étude a été publiée dans la revue Physical Review Letters.

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 suffisamment de bruit quantique pour neutraliser l’aspect probabiliste du système. Des années plus tard, un physicien théoricien allemand nommé Gerhart Lüders a contesté les hypothèses de von Neumann, soulignant que certaines propriétés non-définies pouvaient persister, tandis que d’autres étaient clairement définies.

superposition quantique
La superposition quantique est la présence simultanée d’un nombre illimité d’états quantiques pour un même système. Tant qu’aucune mesure n’est réalisée, la superposition quantique persiste. Crédits : ENS

Ion strontium, laser et photons

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 ont utilisé un atome de strontium avec des électrons manquants, piégeant l’ion d’une manière qui ne permet pas de savoir dans laquelle des deux orbites se trouvent les électrons restants.

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Un laser force ensuite la superposition d’électrons dans l’ion à se déplacer, le décalage orbital potentiel étant confirmé en détectant la lumière émise lorsque l’électron se remet en place. Ce n’est que grâce à la détection de la lumière que l’on peut considérer la position absolue de l’électron comme fixe.

« 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, soit sur une orbite supérieure, jamais quelque chose entre les deux. La mesure dans un sens oblige l’électron à décider dans lequel des deux états il se trouve », explique le physicien Fabian Pokorny, de l’Université de Stockholm.

Une transition quantique partielle et progressive

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 constaté que la transition du système quantique n’était pas 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.

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« Ces résultats jettent un nouvel éclairage sur le fonctionnement interne de la nature et sont conformes aux prévisions de la physique quantique moderne », explique le physicien Markus Hennrich.

De plus, ce changement n’est pas instantané. En prenant des images de l’atome alors que l’un de ses électrons adoptait une orbite définie, l’équipe a montré que le changement se déroulait comme si la transition d’une incertitude complète à une orbite spécifique était une question de probabilité croissante, plutôt qu’une décision soudaine.

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Ce n’est pas la première expérience à montrer comment les sauts quantiques dans la mesure d’un électron sont un processus qui se déroule progressivement plutôt que s’il s’agissait d’un interrupteur. Mais cela ajoute quelques détails intéressants à la façon dont ce changement se produit.

Sources : Physical Review Letters

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