Une foule de trente et un capteurs quantiques de détection quantique chuchote dans une plaquette de diamant. Autrefois, ce chuchotement était noyé dans le grondement des projecteurs : les fluctuations aléatoires des photons utilisés pour lire l'état des spins étouffaient le bruit quantique intrinsèque de l'ensemble. Désormais, les physiciens ont appris à éteindre les projecteurs et à écouter la foule elle-même.
Chaque centre NV de détection quantique dans le diamant est un défaut du réseau cristallin : un atome d'azote voisin d'une lacune. Son spin électronique peut être retourné par micro-ondes et lu par laser, mais chaque photon apporte son propre bruit aléatoire. Pour entendre le bruit de projection de détection quantique — l'incertitude quantique de la mesure des spins — il faut accumuler le signal en répétant la lecture des milliers de fois. Dans l'expérience, à température ambiante et sous un champ magnétique de 2,7 T, le spin nucléaire de l'azote servait d'intermédiaire : son état était cartographié à plusieurs reprises sur le spin électronique, puis lu optiquement. Cela a permis de réduire le bruit de 3,8 dB sous le niveau du bruit de projection thermique et d'observer directement, pour la première fois, les fluctuations d'un ensemble de 31(3) centres NV.
Ce n'est pas qu'un simple tour de passe-passe technique. Les spins dans un solide peuvent désormais être écoutés avec la même sensibilité que les atomes dans les chambres à vide. Cela ouvre la voie au compression de spin, c'est-à-dire la réduction du bruit quantique grâce à l'intrication, et à la microscopie à large champ, où chaque pixel montrera la distribution des spins. De telles cartes de corrélations aideront à visualiser les matériaux magnétiques, les transitions de phase et même à diagnostiquer les puces électroniques.
Autrefois, le chuchotement de la foule était inaccessible à cause du grondement des projecteurs. Maintenant, les projecteurs sont atténués, et nous entendons trente et un spins respirer à l'unisson. C'est un premier pas vers non seulement écouter, mais aussi contrôler le comportement quantique collectif d'un solide.
Le nombre de centres NV dans la tache confocale (31) a été déterminé à partir du niveau de bruit de projection, ce qui constitue le premier comptage direct des centres actifs sans action destructrice.