États quantiques intriqués à longue durée de vie

Les horloges et capteurs atomiques comptent parmi les instruments de mesure les plus précis au monde, mais ils peuvent encore être améliorés. Jusqu’à présent, tous ces instruments utilisent des atomes non corrélés, ce qui crée un bruit statistique connu sous le nom de bruit de projection quantique. Ce bruit limite leurs performances une fois que les sources de bruit plus banales ont été éliminées. On sait que cette limite peut être surmontée en plaçant les atomes sont dans un état intriqué appelé état comprimé de spins. Cependant, la durée de vie de ces états, tels qu’ils étaient produits en laboratoire jusqu’à présent, était inférieure de plusieurs ordres de grandeur à ce qui est nécessaire pour les horloges de qualité métrologique. Dans le cadre d’une collaboration avec le SYRTE (le laboratoire national de métrologie temps-fréquence), l’équipe Microcircuits à Atomes a maintenant produit des états comprimés de spins dont la durée de vie est de près d’une seconde, ce qui est suffisant pour un capteur de qualité métrologique.

Le fait de pouvoir conserver un tel état quantique, extrêmement fragile, pendant une période aussi longue permet aussi de mieux comprendre ses propriétés réelles, avec un résultat surprenant : le signal produit par l’état s’amplifie avec le temps, atteignant plus de quatre fois sa valeur attendue. Cet effet s’explique par des interactions extrêmement faibles entre les atomes – si faibles qu’elles étaient restées invisibles dans les expériences antérieures, qui portaient sur des durées bien plus courtes. Ces interactions conspirent avec la corrélation quantique pour amplifier le couplage avec la microcavité optique qui est utilisée pour la détection.

L’horloge à micro-ondes utilisée dans cette expérience fonctionne dans le régime des horloges compactes envisagés pour la prochaine génération de satellites de navigation.

Ces résultats sont publiés dans PRX Quantum 4, 20322 (2023).