Des scientifiques ont trouvé une nouvelle façon de mesurer le temps

Dans le monde des hor­loges et des pen­d­ules, nous pou­vons juger du pas­sage du temps en comp­tant sim­ple­ment le nom­bre de sec­on­des entre “alors” et “main­tenant”.

Cepen­dant, nous ne pou­vons pas prévoir “ce moment” dans le mou­ve­ment des élec­trons en mécanique quan­tique. Pire encore, le “main­tenant” s’estompe sou­vent dans l’ob­scu­rité. Un chronomètre ne fonc­tionne pas dans cer­taines situations.

Une étude réal­isée en 2022 par des chercheurs de l’u­ni­ver­sité d’Up­p­sala, en Suède, sug­gère que la forme du brouil­lard quan­tique lui-même pour­rait être la réponse.

Leurs expéri­ences sur la nature ondu­la­toire des états dits de Ryd­berg révè­lent une nou­velle façon de mesur­er le temps qui ne néces­site pas un point de départ exact.

Un atome de Ryd­berg est comme un bal­lon gon­flé dans le domaine des par­tic­ules élé­men­taires. Gon­flés à l’aide d’un laser au lieu d’être gon­flés à l’air, les atom­es con­ti­en­nent des élec­trons dans des états de très haute énergie qui orbitent loin du noyau.

Bien sûr, il n’est pas néces­saire de gon­fler les atom­es à la taille d’un dessin ani­mé lorsque vous utilisez le laser. En fait, les lasers sont sou­vent util­isés dans divers­es appli­ca­tions pour amen­er les élec­trons à des états d’én­ergie plus élevés.

Une autre appli­ca­tion con­siste à utilis­er un sec­ond laser pour sur­veiller les change­ments de posi­tion des élec­trons, notam­ment dans le temps. Ces tech­niques de “pompe-sonde” peu­vent être util­isées, par exem­ple, pour mesur­er la vitesse de cer­tains dis­posi­tifs élec­tron­iques ultrarapides.

L’in­duc­tion d’atomes dans l’é­tat de Ryd­berg est égale­ment une tech­nique utile pour les ingénieurs, notam­ment lors de la con­cep­tion de nou­velles pièces pour les ordi­na­teurs quan­tiques. Bien sûr, les physi­ciens ont accu­mulé beau­coup d’in­for­ma­tions sur le com­porte­ment des élec­trons lorsqu’ils entrent dans l’é­tat de Rydberg.

Mais le mou­ve­ment des élec­trons, les ani­maux quan­tiques, ne ressem­ble pas à une boule glis­sant sur un minus­cule bouli­er, mais plutôt à une nuit de roulette, avec tout le tournoiement et les sauts d’une boule con­den­sés en un seul jeu. .

La règle math­é­ma­tique de ce jeu de roulette élec­tron­ique fou de Ryd­berg s’ap­pelle le paquet d’on­des de Rydberg.

Comme pour les vraies vagues, lorsque plusieurs paque­ts d’on­des de Ryd­berg ond­u­lent dans l’e­space, des inter­férences se pro­duisent, créant des motifs d’on­du­la­tion uniques. Jeter de nom­breux paque­ts d’on­des de Ryd­berg dans la même mare atom­ique crée des motifs uniques qui représen­tent le temps pen­dant lequel chaque paquet d’on­des évolue en parallèle.

Dans cette expéri­ence, nous avons véri­fié cette “empreinte du temps” et prou­vé qu’elle est suff­isam­ment cohérente et fiable pour servir d’horo­da­teur quantique.

Dans leurs travaux, en mesurant les résul­tats des atom­es d’héli­um excités par laser et en les com­para­nt aux pré­dic­tions théoriques, ils ont mon­tré que les résul­tats de la sig­na­ture peu­vent être un indi­ca­teur de la durée du temps.

“Si vous utilisez un comp­teur, vous devez définir le zéro. Vous com­mencez à compter à par­tir d’un point”, a déclaré la physi­ci­enne Mar­ta Ver­holz de l’u­ni­ver­sité d’Up­p­sala en Suède, qui dirige l’équipe, au New Sci­en­tist en 2022.

“L’a­van­tage de cette méth­ode est que vous n’avez pas besoin de démar­rer une hor­loge. Il suf­fit de regarder la struc­ture d’in­ter­férence et de dire ‘Ok, 4 nanosec­on­des se sont écoulées’ ”.

Les guides de paque­ts d’on­des de Ryd­berg en évo­lu­tion peu­vent être util­isés en com­bi­nai­son avec d’autres formes de spec­tro­scopie pompe-sonde pour mesur­er des événe­ments à extrême­ment petite échelle dont le passé et le présent ne sont pas bien défi­nis ou sim­ple­ment peu pra­tiques à mesurer.

Plus impor­tant encore, aucune des traces n’a besoin d’un “avant” et d’un “main­tenant” pour être le début et la fin du temps. C’est comme si l’on com­para­it la car­rière d’un sprint­er incon­nu à celle de plusieurs con­cur­rents courant à une vitesse constante.

En recher­chant les sig­na­tures d’é­tats Ryd­berg inter­férents dans un échan­til­lon d’atomes de la pompe-sonde, les ingénieurs ont pu observ­er un horo­datage de l’événe­ment aus­si court que 1,7 tril­lion­ième de seconde.

Les futures expéri­ences de sur­veil­lance quan­tique pour­raient utilis­er d’autres atom­es à la place de l’héli­um, ou des impul­sions laser d’én­er­gies dif­férentes, pour éten­dre le guide d’horo­datage et l’adapter à un plus large éven­tail de conditions.