L’intrication quantique améliore considérablement la précision des capteurs qui peuvent être utilisés pour naviguer sans GPS, selon une nouvelle étude en Photonique naturelle.

« En exploitant l’enchevêtrement, nous améliorons à la fois la sensibilité de la mesure et la rapidité avec laquelle nous pouvons effectuer la mesure », a déclaré Zheshen Zhang, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l’Université du Michigan et co-auteur correspondant de l’étude. Les expériences ont été faites à l’Université de l’Arizona, où Zhang travaillait à l’époque.

Les capteurs optomécaniques mesurent les forces qui perturbent un dispositif de détection mécanique qui se déplace en réponse. Ce mouvement est ensuite mesuré avec des ondes lumineuses. Dans cette expérience, les capteurs étaient des membranes, qui agissent comme des peaux de tambour qui vibrent après avoir subi une poussée. Les capteurs optomécaniques peuvent fonctionner comme des accéléromètres, qui peuvent être utilisés pour la navigation inertielle sur une planète qui n’a pas de satellites GPS ou dans un bâtiment lorsqu’une personne navigue sur différents étages.

L’intrication quantique pourrait rendre les capteurs optomécaniques plus précis que les capteurs inertiels actuellement utilisés. Cela pourrait également permettre aux capteurs optomécaniques de rechercher des forces très subtiles, telles que l’identification de la présence de matière noire. La matière noire est une matière invisible censée représenter cinq fois plus de masse dans l’univers que ce que nous pouvons percevoir avec la lumière. Il tirerait sur le capteur avec une force gravitationnelle.

Voici comment l’enchevêtrement améliore les capteurs optomécaniques :

Les capteurs optomécaniques reposent sur deux faisceaux laser synchronisés. L’un d’eux est réfléchi par un capteur, et tout mouvement dans le capteur modifie la distance parcourue par la lumière sur son chemin vers le détecteur. Cette différence de distance parcourue apparaît lorsque la deuxième vague chevauche la première. Si le capteur est immobile, les deux ondes sont parfaitement alignées. Mais si le capteur se déplace, ils créent un motif d’interférence lorsque les pics et les creux de leurs ondes s’annulent par endroits. Ce motif révèle la taille et la vitesse des vibrations dans le capteur.

Habituellement, dans les systèmes d’interférométrie, plus la lumière se déplace loin, plus le système devient précis. Le système d’interférométrie le plus sensible de la planète, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, envoie de la lumière sur des trajets de 8 kilomètres. Mais cela ne rentrera pas dans un smartphone.

Pour permettre une grande précision dans les capteurs optomécaniques miniaturisés, l’équipe de Zhang a exploré l’intrication quantique. Plutôt que de diviser la lumière une fois pour qu’elle rebondisse sur un capteur et un miroir, ils ont divisé chaque faisceau une seconde fois afin que la lumière rebondisse sur deux capteurs et deux miroirs. Dalziel Wilson, professeur adjoint de sciences optiques à l’Université de l’Arizona, avec ses doctorants Aman Agrawal et Christian Pluchar, a construit les dispositifs à membrane. Ces membranes, d’une épaisseur de seulement 100 nanomètres – ou 0,0001 millimètre -, se déplacent en réponse à de très petites forces.

Le doublement des capteurs améliore la précision, car les membranes doivent vibrer en synchronisation les unes avec les autres, mais l’enchevêtrement ajoute un niveau supplémentaire de coordination. Le groupe de Zhang a créé l’enchevêtrement en « pressant » la lumière laser. Dans les objets de mécanique quantique, tels que les photons qui composent la lumière, il existe une limite fondamentale à la capacité de connaître la position et la quantité de mouvement d’une particule. Parce que les photons sont aussi des ondes, cela se traduit par la phase de l’onde (où elle se trouve dans son oscillation) et son amplitude (la quantité d’énergie qu’elle transporte).

« La compression redistribue l’incertitude, de sorte que la composante comprimée est connue plus précisément, et la composante anti-compression porte une plus grande partie de l’incertitude. Nous avons comprimé la phase parce que c’est ce que nous avions besoin de savoir pour notre mesure », a déclaré Yi Xia, un doctorat récent diplômé du laboratoire de Zhang à l’Université de l’Arizona et co-auteur correspondant de l’article.

En lumière comprimée, les photons sont plus étroitement liés les uns aux autres. Zhang a comparé ce qui se passe lorsque les photons traversent un séparateur de faisceau avec des voitures arrivant à une bifurcation sur l’autoroute.

« Vous avez trois voitures dans un sens et trois voitures dans l’autre sens. Mais en superposition quantique, chaque voiture va dans les deux sens. Maintenant, les voitures de gauche sont enchevêtrées avec les voitures de droite », a-t-il déclaré.

Du fait que les fluctuations des deux faisceaux intriqués sont liées, les incertitudes sur leurs mesures de phase sont corrélées. En conséquence, avec un peu de magie mathématique, l’équipe a pu obtenir des mesures 40 % plus précises qu’avec deux faisceaux non enchevêtrés, et ils peuvent le faire 60 % plus rapidement. De plus, la précision et la vitesse devraient augmenter proportionnellement au nombre de capteurs.

« Il est envisagé qu’un ensemble de capteurs améliorés par enchevêtrement offrira un gain de performance d’ordres de grandeur par rapport à la technologie de détection existante pour permettre la détection de particules au-delà du modèle physique actuel, ouvrant la porte à un nouveau monde qui n’a pas encore été observé. « , a déclaré Zhang.

Les prochaines étapes de l’équipe consistent à miniaturiser le système. Déjà, ils peuvent mettre une source de lumière comprimée sur une puce qui ne fait qu’un demi-centimètre de côté. Ils s’attendent à avoir un prototype de puce avec la source de lumière comprimée, les séparateurs de faisceau, les guides d’ondes et les capteurs inertiels d’ici un an ou deux.

L’étude a été financée par l’Office of Naval Research, National Science Foundation, Department of Energy and Defense Advanced Research Projects Agency.