image: A NOON state is a superposed quantum state where N particles are in one state "at the same time" and in another "at the same time". Here, the particles are trapped in two wells, within a trap formed by lasers. The superimposed state therefore consists of a state in which all the particles are in the left-hand well, and a state in which they are trapped in the right-hand well. The particles interact with each other and 'stick' together when they are in the same site, preventing an isolated particle from leaving the trap.
Credit: University of Liège / S. Dengis
Créer des superpositions quantiques d’atomes ultrafroids était jusqu’ici un véritable casse-tête, trop lent pour être réaliste en laboratoire. Des chercheurs de l'Université de Liège viennent de développer une nouvelle approche innovante mêlant géométrie et « pilotage quantique », qui permet d'accélérer drastiquement le processus, ouvrant la voie à des applications concrètes en technologies quantiques.
Imaginez être dans un supermarché avec un chariot rempli à ras bord. Le défi : arriver à la caisse avant les autres, sans faire tomber vos produits dans les virages. La solution ? Choisir un chemin avec le moins de tournants possibles pour aller plus vite sans ralentir. C’est exactement ce que Simon Dengis, doctorant à l’Université de Liège, a réussi à faire… mais dans le monde de la physique quantique.
Avec ses collègues du groupe PQS (Physique Quantique Statistique), Simon Dengis a développé un protocole pour générer rapidement ce qu’on appelle des états NOON. "Ces états, qui ressemblent à des versions miniatures du célèbre chat de Schrödinger, sont des superpositions quantiques*, explique le physicien. Ils sont d’un intérêt majeur pour des technologies comme les capteurs quantiques ultra-précis ou les ordinateurs quantiques."
L’obstacle du temps
Le principal défi ? Fabriquer ces états prend normalement un temps bien trop long. On parle de dizaines de minutes, voire plus, ce qui dépasse souvent la durée de vie de l’expérience. La cause ? Un goulet d’étranglement énergétique, un « virage serré » dans l’évolution du système qui oblige à ralentir.
C’est ici que l’équipe de l'ULiège innove. En combinant deux concepts puissants - le pilotage contre-diabatique (counterdiabatic driving) et le chemin géodésique optimal - elle est parvenue à « lisser la route » pour les atomes. Résultat : le système peut évoluer plus vite sans perdre la trajectoire de l’état voulu, exactement comme un conducteur qui anticipe un virage en inclinant son plateau. "Cette stratégie permet de gagner un temps considérable : dans certains cas, le processus est accéléré par un facteur 10 000, tout en conservant une fidélité de 99 %, c’est-à-dire une quasi-perfection du résultat, se réjouit Peter Schlagheck, directeur du laboratoire." Là où auparavant il fallait attendre une dizaine de minutes pour créer un tel état, les chercheurs de l'ULiège sont parvenus à réduire considérablement ce temps d'attente ... à 0,1 seconde !
Vers des applications concrètes
Avec cette avancée, la réalisation d’états NOON avec des atomes ultrafroids devient enfin accessible. Cela ouvre des perspectives en métrologie quantique (mesures ultra-sensibles de temps, de rotation ou de gravité) et en technologies de l'information quantique. À terme, ces outils pourraient améliorer des instruments comme les gyroscopes quantiques ou les détecteurs de gravité miniatures.
Cette recherche montre comment la théorie et l’expérimentation peuvent se rencontrer pour faire avancer concrètement la physique quantique. En alliant concepts mathématiques, physique fondamentale et faisabilité expérimentale, les chercheurs de l’ULiège signent une avancée qui pourrait bien transformer des idées autrefois théoriques en technologies de demain.
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* Superposition quantique et état Noon
Une superposition quantique, c’est l’idée qu’un système quantique (comme un atome, un électron ou un photon) peut exister dans plusieurs états en même temps, tant qu’on ne l’observe pas. L'exemple le plus souvent utilisé pour expliquer ce concept est celui du chat de Schrödinger : Un chat est enfermé dans une boîte. Selon la mécanique quantique, tant qu’on n’ouvre pas la boîte, le chat est à la fois vivant et mort. C’est cette combinaison simultanée de deux états qu’on appelle superposition. C’est seulement en ouvrant la boîte pour l'observer que l’on “force” la nature à choisir un état : vivant ou mort. Les états NOON sont un exemple de superposition quantique : tous les atomes sont à la fois dans le puits de gauche ET dans le puits de droite. Ce n’est qu’au moment de la mesure qu’on les trouve dans l’un ou l’autre.
Journal
Physical Review A
Article Title
Accelerated creation of NOON states with ultracold atoms via counterdiabatic driving
Article Publication Date
10-Mar-2025