La gravité, sculptrice de l'incertitude quantique
Imaginez que vous teniez dans vos mains un ellipse en caoutchouc souple, qui décrit toutes les positions et toutes les vitesses possibles d'un miroir massif. La décohérence gravitationnelle agit comme un sculpteur invisible : elle froisse lentement cette ellipse, la faisant passer d'une figure quantique nette à une tache floue. Jusqu'ici, on ne savait pas avec quelle précision on pouvait mesurer cette déformation, ni quels états quantiques convenaient le mieux à cette tâche.
Dans ce nouveau travail, les chercheurs ont étudié un système optomécanique, c'est-à-dire un dispositif où la lumière interagit avec le mouvement mécanique d'un miroir. Ils ont utilisé différents types d'états quantiques de la lumière comme sondes : cohérents (comme un faisceau laser idéal), thermiques (comme le bruit d'un corps chaud) et comprimés du vide (où l'incertitude d'une grandeur est réduite aux dépens d'une autre). Pour chaque état, ils ont calculé l'information quantique de Fisher, une mesure de la précision avec laquelle on peut estimer la vitesse du « froissement » gravitationnel.
Mais les états comprimés ont une faiblesse : ils perdent plus vite leur « pureté » quantique à cause de ce même bruit gravitationnel. Au bout de 10 secondes seulement, les états cohérents commencent à les dépasser en précision. C'est comme des coureurs sur une longue distance : le sprinteur, l'état comprimé du vide, s'échappe en tête, mais il s'épuise, et le marathonien endurant, l'état cohérent, finit par le rattraper.
En régime stationnaire, lorsque le système atteint l'équilibre, l'ellipse d'incertitude cesse de dépendre de l'état initial. Elle n'est plus déterminée que par les paramètres du système, et la décohérence gravitationnelle y laisse son empreinte : l'ellipse se comprime légèrement et s'incline. Ces distorsions croissent linéairement avec la vitesse de décohérence, ce qui fournit un moyen supplémentaire de la mesurer.
Ce travail applique pour la première fois tout l'arsenal de la métrologie quantique à l'estimation de la décohérence gravitationnelle en optomécanique. Ce n'est pas un simple exercice théorique : les résultats indiquent directement aux expérimentateurs quels états de la lumière utiliser et à quel moment effectuer les mesures pour obtenir une précision maximale. Ainsi, si vous voulez prendre la gravité la main dans le sac au moment où elle froisse l'ellipse quantique, vous savez désormais avec quel outil vous y prendre.
La vitesse de décohérence gravitationnelle pour un miroir de fréquence 1 Hz ne vaut que 10⁻⁸ s⁻¹, ce qui correspond à un temps de décohérence d'environ 3 ans. À titre de comparaison, la décohérence thermique à température ambiante se produit en quelques millisecondes.
L'idée d'un effondrement gravitationnel de la fonction d'onde fait écho au roman de Greg Egan « Quarantine », où les observateurs fixent littéralement la réalité en détruisant les superpositions.