mesure faible

Dans chaque cellule, des rencontres et des séparations ont lieu en permanence. Certaines paires tiennent solidement, comme un scratch, d'autres se touchent à peine, comme du pollen porté par le vent.

Les ondes radio basse fréquence (de 30 à 300 kilohertz) transportent l'information à travers l'eau et la terre. Mais les capter avec une antenne ordinaire est difficile : la longueur d'onde atteint plusieurs kilomètres, et un petit récepteur perçoit à peine un tel champ.

Le ciel gamma, immortalisé par le télescope Fermi, est une symphonie grandiose de milliers de sources. On y trouve les pulsations rythmiques des pulsars, les accords puissants des noyaux actifs de galaxie, mais surtout des objets non identifiés dont la partition reste une énigme.

Un microphone hypersensible qui n'écoute pas le son, mais les frémissements de l'espace lui-même. C'est ainsi que fonctionnent les détecteurs d'ondes gravitationnelles — LIGO, Virgo, KAGRA.

En 1948, l'ingénieur Claude Shannon a posé les fondations de la théorie de l'information. Le théorème de Nyquist-Shannon a apporté une première réponse : pour ne pas perdre le signal, il faut effectuer deux fois plus de mesures que sa composante la plus rapide. En 2006, la méthode du sondage compressé (compressed sensing) a assoupli cette exigence.

Le champ magnétique terrestre, qui fait tourner l'aiguille d'une boussole, est puissant. Le nouveau capteur détecte des champs cent mille fois plus faibles, sans avoir besoin d'hélium liquide ni d'installations encombrantes. Tout tient sur un circuit imprimé — comme celui à l'intérieur d'un smartphone.

Une antenne ordinaire capte les ondes radio, mais il existe des champs qu'elle perçoit à peine. Il s'agit des champs électriques lents, qui varient une fois par seconde ou moins. Pour eux, des physiciens ont construit un capteur à partir d'un faisceau d'atomes de rubidium.

Galilée, selon la légende, aurait lancé des boules depuis la tour de Pise pour prouver que les corps lourds et légers tombent à la même vitesse. Cette loi est devenue le fondement de la théorie de la gravitation d'Einstein. Aujourd'hui, les scientifiques ont transformé une station spatiale entière en une telle tour.

La réalité ressemble à une photo non développée : avant la mesure, elle n'est qu'un nuage de possibilités. Ce n'est que lorsque nous la « développons » par l'observation que la particule acquiert des propriétés nettes.

Dans les laboratoires où l'on refroidit des atomes presque jusqu'au zéro absolu, la moindre variation du champ magnétique dérègle tout. Les capteurs habituels — plaques de Hall ou bobines à noyau de ferrite — sont placés à quelques centimètres de la chambre à vide, car ils créent eux-mêmes des perturbations.

Un bon cuisinier goûte sa soupe et ajoute une pincée de sel. Une balance ordinaire ne la détecterait pas, mais une balance sensible, si. Dans le monde quantique, ce rôle de balance est joué par des paires de particules intriquées. On croyait auparavant que l'intrication devait être maximale, sinon la précision n'augmenterait pas.

La lumière qui traverse des fentes étroites peut révéler des retards invisibles à l'œil. Dans une nouvelle expérience, des physiciens ont fait passer un faisceau laser à travers deux fentes simultanément et ont mesuré à quel point une partie de l'onde prenait du retard sur l'autre.

Quatorze atomes de rubidium se sont alignés comme des perles sur un fil. Chaque atome est un minuscule aimant qui peut pointer vers le haut ou vers le bas. Ensemble, ils obéissent à des règles strictes, semblables à un horaire de trains : tout est prévisible, tout se répète. Mais il suffit d'une modification à peine perceptible pour que l'horaire déraille.

Un capteur ordinaire ressemble à une balance qui tremble toujours un peu d'elle-même. Même dans le silence le plus total et à température nulle, toute particule vibre : c'est la vibration quantique, et elle limite la précision de toutes les mesures.

Le champ magnétique à mesurer ressemble à une mélodie jouée dans une salle bruyante. Le capteur quantique est un microphone capable de capter les notes les plus faibles, mais il n'entend pas que la musique : des bruissements, des grincements, la respiration des voisins. Tout cela se mêle au signal et gâche l'enregistrement.

La lumière ordinaire est un flux de photons qui volent n'importe comment : tantôt plus nombreux, tantôt moins, et dans ce chaos se perd la précision des mesures. Les physiciens ont appris à « discipliner » ce flux en créant de la lumière comprimée, où le bruit d'une caractéristique devient plus faible que celui du vide.

Une minuscule lamelle de cristal repose sur un substrat, comme une feuille d'automne sur une paume. Son épaisseur est plus fine qu'un cheveu humain, et pourtant des effets quantiques bouillonnent à l'intérieur : supraconductivité, ordre magnétique, liquide de spin quantique.

La fusion de deux étoiles à neutrons, c'est comme un coup de gong : un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers, une onde gravitationnelle. Les détecteurs sur Terre captent ce frémissement et, grâce à son intensité, calculent la distance de la source.

Détecter un signal faible au milieu du bruit, c'est comme essayer d'entendre une cloche lointaine pendant une tempête. L'amplification habituelle ne fait que rendre le vacarme plus assourdissant. La correction d'erreurs quantique résout le problème de manière inattendue.

La matière noire est une substance invisible, cinq fois plus abondante dans l'Univers que la matière ordinaire. Ses particules interagissent à peine avec les atomes, mais elles peuvent parfois heurter un électron, comme une corde effleurée par le vent.

La distribution de Wigner ressemble à une carte topographique des probabilités : des collines là où la particule a le plus de chances de se trouver, des creux là où elle ne devrait pas être. Pendant longtemps, ces « creux » négatifs ont été considérés comme un signe infaillible qu'un système se comporte de manière quantique.

Tous les corps tombent de la même façon – c'est ce qu'avait déjà remarqué Galilée. Einstein a transformé cette observation en principe d'équivalence : la pesanteur et l'accélération sont indiscernables, d'où est née la courbure de l'espace-temps.

Entendre un signal micro-onde ultra-faible, c'est comme essayer de distinguer un murmure dans une tempête. Les atomes de Rydberg, gonflés jusqu'à la taille de bactéries, promettent de devenir des antennes idéales.

Une batterie quantique n'est pas une boîte remplie d'électrolyte, mais une poignée d'atomes ou de circuits supraconducteurs, dont l'énergie est stockée dans des états excités. On peut la charger en une fraction de seconde grâce aux effets quantiques collectifs.