Des chercheurs séparent une particule de ses propriétés

29.07.2014

La première observation expérimentale d’un « Chat du Cheshire quantique » pourrait permettre la mesure de systèmes quantiques avec une grande précision

Des chercheurs de l’Université de technologie de Vienne ont réalisé la première séparation d’une particule et de l’une de ses propriétés. L’étude, menée à l’Institut Laue-Langevin (ILL) et publiée dans Nature Communication, montre que dans un interféromètre, il est possible de mesurer le moment magnétique d’un neutron indépendamment du neutron lui-même, marquant ainsi la première observation expérimentale d’un nouveau paradoxe quantique baptisé « Chat du Cheshire ». La nouvelle technique, applicable à toute propriété d’un objet quantique, pourrait servir à supprimer les perturbations et améliorer la résolution des mesures de haute précision.

La théorie du chat du Cheshire quantique a été proposée l’an dernier. Elle s’inspire du célèbre chat d’Alice au pays des merveilles qui disparaît tandis que son sourire subsiste. En physique quantique, le terme renvoie à un objet dont les propriétés peuvent être dissociées de sa position physique et donc être mesurées à des endroits distincts. Bien entendu, cela est parfaitement impossible dans notre réalité, les objets y étant liés dans l’espace à leurs propriétés, mais les lois de la mécanique quantique autorisent ce paradoxe.

Attraper un chat du Cheshire quantique

La mécanique quantique nous dit déjà que les particules peuvent se trouver simultanément dans deux états différents, phénomène appelé superposition. Par exemple, si un faisceau de neutrons est difracté à l’aide d’un cristal, chaque neutron n’a pas à choisir entre les deux directions mais peut prendre les deux directions en même temps, en superposition quantique.

« Cette technique expérimentale s’appelle interférométrie neutronique », explique le Professeur Yuji Hasegawa de l’Université de technologie de Vienne. « Elle a été inventée ici, à l’Atominstitut dans les années 1970, et s’est révélée l’outil parfait pour étudier les fondements de la mécanique quantique. »

Pour voir si cette même technique pouvait séparer les propriétés d’une particule de la particule même, Yuji Hasegawa a constitué une équipe rassemblant ses collègues Tobis Denkmayr, Hermann Geppert et Stephan Sponar de Vienne, ainsi qu’Alexandre Matzkin du CNRS en France, le professeur Jeff Tollaksen de Chapman University en Californie et Hartmut Lemmel de l’Institut Laue-Langevin, pour mettre au point une nouvelle expérience quantique.

L’objectif, à l’ILL, était d’obtenir que les neutrons suivent une trajectoire différente de leur moment magnétique – propriété correspondant à la force liant la particule à un champ magnétique externe. Le moment magnétique du neutron a une direction préférée, appelée spin. Pour l’expérience, le faisceau de neutron a été partagé en deux orientations différentes de spin. Le spin du faisceau supérieur est parallèle à la direction empruntée par le neutron tandis que le spin du faisceau inférieur pointe dans la direction opposée.

Où est le chat…?

Après réunion des deux faisceaux, le détecteur expérimental a été réglé pour que seuls les neutrons de spin parallèle à la direction du mouvement – donc ceux du chemin supérieur – soient détectés « On appelle cela postsélection », explique Hermann Geppert. « Le faisceau contient des neutrons présentant l’une ou l’autre direction de spin, mais on ne détecte qu’une partie des neutrons. »

L’équipe a alors ajouté un filtre, qui absorbe certains neutrons, au faisceau inférieur. Le nombre de particules détectées n’a pas changé. En revanche, lorsque ce même filtre a été placé sur le faisceau supérieur, le nombre de neutrons détectés a diminué.

… et où est son sourire ?

Les choses se compliquent lorsque l’on mesure la situation du spin du neutron : le spin peut être légèrement modifié avec un champ magnétique. Lorsque les deux faisceaux sont recombinés correctement, ils peuvent s’amplifier ou s’annuler réciproquement. C’est exactement ce que montrent les mesures, si le champ magnétique est appliqué au faisceau inférieur  – mais c’est le chemin que les neutrons ne sont jamais supposés emprunter. À l’inverse, un champ magnétique appliqué au faisceau supérieur n’a strictement aucun effet.

« En mettant les neutrons dans un état initial particulier puis en les postsélectionnant, nous pouvons faire en sorte que les deux chemins possibles dans l’interféromètre jouent un rôle dans l’expérience, mais de façons très différentes », selon Tobias Denkmayr. « Sur l’un, seule une interaction avec les particules elles-mêmes aura un effet, mais l’autre chemin ne sera sensible qu’à un moment magnétique de spin. Le système se comporte comme si les particules étaient séparées, dans l’espace, de leurs propriétés. »

Une analyse solide exige des mesures faibles

La réussite de cette expérience quantique unique en son genre reposait sur ce que l’on appelle « mesures faibles », afin d’éviter l’effondrement de la superposition conformément aux lois de la mécanique quantique.
« Ces mesures faibles donnent moins d’informations » explique Hartmut Lemmel, responsable de l’instrument S18, l’interféromètre à cristal à neutrons thermiques de l’ILL, sur lequel a été observé le chat du Cheshire. « Il faut donc un grand nombre d’observations pour approcher d’une quelconque certitude que vous avez bien vu ce que vous pensez avoir vu. Cela n’a été possible que du fait de la puissance de la source de neutrons disponible à l’ILL, qui en fait l’unique instrument apte à fournir la quantité de neutrons nécessaire pour mener ces expériences à répétition. »

Supprimer les perturbations

L’observation historique dûment confirmée, les questions concernent l’impact potentiel de cette découverte fondamentale. L’une des applications serait la possibilité de mesures de haute précision des systèmes quantiques, souvent affectées par des perturbations.

Prenons un système quantique ayant deux propriétés : vous voulez mesurer la première très précisément, mais la seconde rend le système sujet aux perturbations. Le chat du Cheshire quantique vous permettra de séparer les deux et ainsi de limiter la perturbation », précise Stephan Sponar.


For more information please contact

James Romero or Gilead Amit, Proof Communication

Re.:Nature communications, 10.1038/ncomms5492


A propos de l'ILL – l’Institut Laue-Langevin (ILL) est un centre de recherche international basé à Grenoble. Depuis sa création il est leader mondial des sciences et technologies neutroniques. L’ILL exploite l’une des sources de neutrons les plus intenses au monde, fournissant des faisceaux de neutrons à une suite de 40 instruments scientifiques très performants et perfectionnés en permanence. Chaque année, 1200 scientifiques venus de plus de 30 pays du monde visitent l’ILL (quelque 2000 visites en tout.). Les recherches sont multidisciplinaires : physique de la matière condensée, chimie (verte), biologie, physique nucléaire ou science des matériaux. Les trois quarts du budget de l'institut sont fournis par la France, le Royaume-Uni et l’Allemagne.