L'utilisation des effets quantiques pour réaliser des mesures de haute précision.La métrologie quantique est la science qui consiste à utiliser les propriétés de la mécanique quantique — telles que la superposition, l'intrication et le compression — pour repousser la précision des mesures au-delà des limites de la physique classique. Dans les mesures classiques, la précision s'améliore avec la racine carrée du nombre de particules utilisées, mais les corrélations quantiques peuvent franchir cette barrière, atteignant ce que l'on appelle la limite de Heisenberg, où la précision varie linéairement avec le nombre de particules. Cela permet de mesurer le temps, la fréquence, la phase et d'autres grandeurs avec une précision extraordinaire.
Les fondements théoriques ont été posés dans les années 1980 par Carlton Caves, qui a montré comment la lumière comprimée pouvait améliorer les détecteurs d'ondes gravitationnelles, et le domaine s'est depuis développé grâce aux progrès de l'optique quantique et de la physique atomique.
L'idée clé est de préparer un état quantique très sensible au paramètre mesuré. Par exemple, dans un interféromètre, un faisceau lumineux peut être divisé en deux chemins, et la différence de phase entre eux révèle la grandeur d'intérêt. En injectant un état 'comprimé' de la lumière — où l'incertitude sur une quadrature est réduite au détriment de l'autre — la mesure de phase peut être rendue plus précise qu'avec une lumière laser ordinaire. De même, des particules intriquées peuvent être utilisées pour mesurer une propriété collective avec moins de bruit que des particules indépendantes.
La métrologie quantique est déjà utilisée dans les horloges atomiques qui définissent la seconde, et elle est un composant essentiel des observatoires d'ondes gravitationnelles comme LIGO, où la lumière comprimée améliore la sensibilité aux ondulations de l'espace-temps.
Les mesures les plus précises jamais réalisées — celles des fréquences de transition atomique — reposent sur la métrologie quantique, atteignant des incertitudes inférieures à une partie sur 10^18, soit l'équivalent d'une seconde gagnée ou perdue sur l'âge de l'univers.
