Superposition quantique d'une nanoparticule : collage avec un électron unique
Contexte
La lévitation optique de nanoparticules a déjà permis de refroidir leur mouvement jusqu'à l'état fondamental quantique et d'observer des effets quantiques, mais la préparation d'états non classiques du centre de masse reste une tâche difficile. Les schémas standards exigent des potentiels non linéaires qui, à cause de la limite de diffraction, produisent des variations spatiales de l'ordre du micromètre, alors que la largeur du paquet d'ondes de la particule dans l'état fondamental est d'environ 10 picomètres. C'est pourquoi on a généralement recours à un élargissement du paquet d'ondes suivi d'une recapture, mais une grande séparation spatiale accélère fortement la décohérence. Ce travail se situe à l'écart de ce courant : au lieu d'élargir l'état, il exploite la nature quantique d'un électron unique, qui agit comme un « agent » microscopique influençant un objet mésoscopique. À proximité, on trouve dans l'archive des travaux sur les réseaux quantiques comme laboratoires gravitationnels, sur des chats de Schrödinger composés de milliers d'atomes et sur des algorithmes quantiques, mais il n'y a presque pas de voisins directs résolvant le même problème de collage d'un électron à une nanoparticule.
Méthodes
Le protocole commence par la préparation d'une nanoparticule chargée en lévitation (rayon 50 nm, fréquence du piège 100 kHz) dans l'état fondamental d'un piège harmonique. Ensuite, un électron unique est préparé dans un état time-bin : une superposition des instants d'arrivée précoce et tardif avec une phase contrôlée. L'électron entre en collision avec la surface de la particule et s'y colle, réduisant sa charge d'une unité élémentaire. Au même moment, on applique une brève impulsion de champ électrique dont le profil est ajusté de telle sorte que si l'électron arrive tôt, la particule reçoit une impulsion dans une direction, et s'il arrive tard, dans la direction opposée. Le champ est commuté en un temps bien inférieur à la période d'oscillation de la particule, de sorte que pendant la préparation son mouvement et sa décohérence sont gelés. Ensuite, la particule évolue dans le piège harmonique pendant une demi-période, et sa coordonnée est mesurée avec une résolution d'environ 85 pm. En répétant l'expérience pour différentes phases de l'état électronique, on reconstitue la figure d'interférence.
Résultats
Dans le cas idéal, après la collision et l'application du champ, la particule se trouve dans une superposition de deux états cohérents d'impulsions opposées, c'est-à-dire dans un état « chaton de Schrödinger ». Pour une phase π, la fonction de Wigner est négative à l'origine de l'espace des phases, ce qui est une signature de non-classicité. Pour des paramètres réalistes (impulsion égale à l'impulsion nulle p0, nombre d'occupation thermique initial 0.5, taux de décohérence Γ = 0.2ω), la visibilité d'interférence atteint 50 %. Lorsqu'on augmente l'impulsion jusqu'à 2p0, la visibilité tombe à 10 %. La décohérence est principalement causée par la réaction des photons du laser de piégeage, mais la négativité de la fonction de Wigner persiste pendant environ 5π/12 de période, et si l'on réduit la décohérence d'un facteur trois, elle se maintient tout au long du protocole. Le refroidissement jusqu'à l'état fondamental n'est pas critique : même avec un nombre moyen de phonons d'environ 1, la visibilité reste élevée grâce à la petite taille du paquet d'ondes et au temps rapide du protocole (une demi-période = 5 µs).
Implications
Le travail propose une voie fondamentalement différente vers les superpositions quantiques macroscopiques par rapport aux études voisines. Au lieu d'élargir le paquet d'ondes, d'utiliser des potentiels non linéaires ou de libérer puis recapturer la particule, on utilise ici un transfert direct de cohérence quantique d'un électron unique vers un objet mésoscopique. C'est le premier schéma où le contrôle de la phase d'un système microscopique (l'électron) engendre une interférence dans le mouvement d'un objet $10^{12}$ fois plus massif. Une telle approche supprime l'exigence de précision sur le contrôle de la nanoparticule elle-même, en reportant la difficulté sur la technique bien développée de l'interférométrie électronique. Si le protocole est réalisé, il permettra de créer des superpositions quantiques d'objets au moins cinq fois plus massifs que le record actuel, ouvrant la voie à une vérification expérimentale des modèles de collapse et de la gravité quantique.
Développements futurs
Le développement immédiat concerne l'amélioration de la visibilité d'interférence en réduisant la décohérence due à la réaction des photons. L'utilisation de faisceaux vectoriels à polarisation radiale pourrait réduire le taux de chauffage d'un facteur trois, ce qui préserverait la négativité de la fonction de Wigner tout au long du protocole. Une autre direction consiste à augmenter l'impulsion pour créer des états plus distincts, bien que cela renforce la décohérence. Il est possible d'optimiser le profil du champ électrique pour des particules de charge initiale arbitraire, ce qui est déjà examiné en annexe. À terme, le protocole pourrait être combiné à des méthodes de contrôle quantique du mouvement pour préparer des états non classiques plus complexes, tels que des superpositions d'états de Fock ou des états comprimés.
Impact
La méthode peut être utilisée en métrologie de précision des forces, car les superpositions d'états d'impulsion augmentent la sensibilité aux influences externes. Elle fournit également un nouvel outil pour tester les limites fondamentales de la mécanique quantique, notamment les modèles de collapse spontané et les effets possibles de la gravité quantique.
Prochaines étapes
La réalisation expérimentale nécessitera d'intégrer une source d'électrons uniques à un piège optique et de synchroniser précisément l'impulsion électrique avec l'instant de la collision. Ensuite, il faudra démontrer les franges d'interférence et mesurer leur visibilité en fonction de la phase de l'état électronique.
Problèmes ouverts clés
Dans le domaine de l'optomécanique en lévitation, la création et la vérification de superpositions quantiques macroscopiques à des masses toujours plus grandes restent un problème clé non résolu. Ce travail s'attaque directement à ce problème en contournant l'obstacle principal : la décohérence rapide lors de la séparation spatiale des paquets d'ondes. Il relie également la question à la physique des électrons uniques, où la cohérence est bien contrôlée, ce qui pourrait stimuler des expériences interdisciplinaires.
Une particule de 50 nanomètres de rayon contient environ $10^{10}$ atomes, et sa masse dépasse celle de l'électron d'un facteur $10^{12}$. Pourtant, un seul électron suffit à la placer dans une superposition quantique de deux impulsions différentes. Pour comparaison : c'est comme si une collision avec un grain de poussière obligeait un ballon de football à voler simultanément dans deux directions opposées.
L'idée d'une superposition quantique macroscopique fait écho à l'expérience de pensée de Schrödinger sur le chat à la fois vivant et mort. Dans la nouvelle de Ted Chiang « L'Histoire de ta vie » (et le film « Premier Contact »), les extraterrestres perçoivent le temps de manière non linéaire, ce qui rappelle l'état time-bin où l'électron est en superposition de deux instants d'arrivée.
Chiffres clés
- rayon de la nanoparticule: 50 nm
- fréquence du piège: 100 kHz
- période d'oscillation: 10 µs
- durée de l'impulsion: 100 ns
- champ électrique: 360 V/m
- visibilité d'interférence: 50 % pour δp = p0
- masse de la particule par rapport à l'électron: 1012