La quanticité macroscopique est au cœur de la physique fondamentale, servant de pont entre les mondes classique et quantique. Cependant, de tels états sont fragiles : l'interaction avec l'environnement les détruit rapidement. Il est donc important de les préparer sur des durées plus courtes que la relaxation et la décohérence. Le développement de l'optique quantique de champ intense, en particulier du vide comprimé brillant avec un nombre de photons allant jusqu'à $10^{13}$ par mode, rend cette approche réaliste. Ce travail se situe à côté des recherches sur l'intrication quantique dans les collisions, des chats quantiques de 120 photons et des capteurs quantiques pour la matière noire, mais s'en distingue par le fait qu'il se concentre sur la génération ultrarapide d'états macroscopiques de la matière au moyen d'une mesure unique de la lumière.
L'auteur construit une théorie en combinant l'approximation du champ externe (valable pour une lumière multiphotonique et un couplage électron-photon faible) avec la représentation de Yanski de l'état de vide comprimé comme superposition d'états cohérents. Dans cette approche, le champ est traité comme classique pour chaque branche, et la quanticité intervient par la superposition. On considère ensuite la mesure de la quadrature de la lumière après interaction, décrite par des opérateurs de Kraus. Pour le modèle de Tavis-Cummings et le modèle de Dicke, on obtient des expressions analytiques du champ conditionnel de la matière. La validité de l'approximation du champ externe est vérifiée numériquement par comparaison avec une simulation complète du système lumière-matière.
La dynamique inconditionnelle de la matière sous l'effet du seul vide comprimé donne un mélange classique d'états contrôlés par laser, sans cohérence quantique. Cependant, lors de la mesure de la quadrature de la lumière transmise, la matière passe dans une superposition quantique pondérée par une gaussienne. Pour le modèle de Tavis-Cummings, cela agit comme un filtre gaussien sur la polarisation électrique collective, sélectionnant l'état de Dicke de valeur propre nulle. L'information quantique de Fisher (QFI) croît comme $N^2$, atteignant une densité de N/2+1, ce qui indique une intrication macroscopique. À résolution de mesure finie, la QFI pondérée par la probabilité de succès évolue comme N^(3/2), ce qui dépasse la limite quantique standard. Dans le modèle de Dicke, les termes contrarotatifs provoquent une transition stroboscopique vers un état de type chat polarisé selon z, semblable à l'état de Greenberger-Horne-Zeilinger. Le temps de préparation est déterminé par l'inverse de l'intensité effective du champ $F_c$ = g exp(r), ce qui permet d'atteindre des échelles attosecondes avec des paramètres réalistes.
Ce travail se distingue des études voisines en proposant une mesure unique de la quadrature de la lumière pour préparer ultrarapidement des états quantiques macroscopiques de la matière, alors que d'autres approches utilisent des mesures quantiques non destructives continues ou des processus dissipatifs dont les temps sont fixés par la vitesse de mesure. Ici, le temps est fixé par la force du champ, ce qui est fondamentalement plus rapide. Cela ouvre la voie à une métrologie quantique au-delà de la limite quantique standard sur des temps ultracourts.
Le sujet peut être développé en tenant compte d'une structure plus réaliste des modes de lumière, notamment des processus de diffusion multicanaux et de l'accord des modes avec l'oscillateur local en détection homodyne. Il est également important d'étudier l'influence de l'inhomogénéité du couplage et du désaccord de fréquence sur le processus de filtrage. Une autre direction consiste à optimiser la probabilité de succès en incluant les résultats de quadrature non nulle, ce qui pourrait restaurer l'échelle de Heisenberg.
La méthode peut être appliquée aux atomes, aux molécules et aux systèmes électroniques solides pour l'ingénierie ultrarapide d'états quantiques. Cela aura un impact sur la métrologie quantique, le calcul quantique et les tests fondamentaux de la mécanique quantique.
L'étape suivante consistera en une analyse détaillée de la probabilité de succès prenant en compte tous les résultats de mesure et en l'optimisation des paramètres pour atteindre la limite de Heisenberg. Il faut aussi quantifier l'influence de la décohérence et de la relaxation dans des systèmes réels.
Ce travail est directement lié au problème de la préservation de la cohérence quantique dans les systèmes macroscopiques et à l'atteinte de la suprématie quantique en métrologie. Il propose une solution qui contourne la décohérence grâce à une préparation ultrarapide, ce qui constitue un défi clé de la physique quantique.
Un vide comprimé brillant peut contenir jusqu'à $10^{13}$ photons dans un seul mode, ce qui est comparable au nombre d'étoiles d'une petite galaxie. Sa nature quantique se manifeste dans la superposition d'états cohérents, et non simplement dans le bruit.
L'idée d'une superposition quantique macroscopique fait écho au chat de Schrödinger, et la création d'états de la matière de type chat rappelle les scénarios sur les ordinateurs quantiques, où de tels états servent aux calculs.