Il serait possible de prédire si un saut quantique est sur le point de se produire – et de l'interrompre au milieu ! Démonstration expérimentale.

Des sauts quantiques ?

Un enseignant de physique résume bien la problématique « La physique quantique a deux aspects contradictoires. L’équation de Schrödinger, qui est déterministe et la mesure qui donne un résultat non déterministe dans certains cas »
Ball, P. (2019) rappelle que Schrödinger rejetait en 1952 le terme de saut quantique et parlait de « quantum jerks » (ici).

Les sauts quantiques ne seraient pas imprévisibles ?

Selon Minev, Z. K., Devoret,M.H. et al. (2019), en physique quantique, on considère en général que les mesures donnent des résultats discrets et aléatoires. La proposition de Bohr en 1913 de sauts quantiques entre deux niveaux d’énergie discrets d’un atome est typique de cette caractéristique.

Expérimentalement, les sauts quantiques ont d’abord été observés dans un ion atomique entraîné par une force déterministe faible, alors que la mesure de l’énergie continue était forte. Les moments où se produisent les transitions discontinues sont réputés fondamentalement imprévisibles. Malgré le caractère non déterministe de la physique quantique, est-il possible de savoir si un saut quantique est sur le point de se produire?

Fig 1: Zlatko Minev et Michel Devoret devant le cryostat qui contient leur experience.l [img]. Source : Yale University)

1 : Les systèmes quantiques utilisés par les chercheurs sont beaucoup plus volumineux que les atomes et consistent en des fils constitués d’un matériau supraconducteur, parfois appelé «atomes artificiels», car ils possèdent des états d’énergie quantique discrets analogues aux états des électrons dans les atomes réels. Des sauts entre les états d’énergie peuvent être induits en absorbant ou en émettant un photon, tout comme ils le sont pour les électrons dans les atomes. Ball, P. (2019).

Minev, Z. K., Devoret,M.H. et al. (2019) répondent dans Nature ici de manière affirmative : ils démontrent expérimentalement – en monitorant la population d’un niveau d’énergie auxiliaire couplé à l’état fondamental (Cf fig. 2)- que le passage de l’état fondamental à un état excité d’un atome artificiel¹ supraconducteur à trois niveaux peut être suivi puisqu’il suit une « trajectoire » prévisible. Les résultats expérimentaux démontrent que l’évolution de chaque saut effectué est continue, cohérente et déterministe.

Fig 2: le dispositif expérimental  permet de monitorer  la population d’un niveau d’énergie auxiliaire couplé à l’état fondamental [img]. Source : Minev, Z. K., et al. (2019)
Ils exploitent ces fonctionnalités, en utilisant une surveillance et une rétroaction en temps réel, pour capturer et inverser les sauts quantiques en plein vol, empêchant ainsi de façon déterministe  leur réalisation.

Leurs résultats, qui concordent avec les prévisions théoriques essentiellement sans paramètres ajustables, étayent la théorie moderne de la trajectoire quantique et devraient fournir un nouveau terrain pour l’exploration de techniques d’intervention en temps réel dans le contrôle de systèmes quantiques, telles que la détection précoce de syndromes d’erreur dans la correction d’erreur quantique.

Commentaires sur cette expérience

Ball, P. (2019) (ici) propose un commentaire qui explique bien comment l’absence de signal est un signal important et prédictif, « « As soon as the length of a no-click period significantly exceeds the typical time between two clicks, you have a pretty good warning that the jump is about to occur, » said Devoret. »

« Le passage de l’état fondamental à un état excité  peut être suivi puisqu’il suit une « trajectoire » prévisible. » Minev, Z. K., et al. (2019) :

Ball explique comment ces absences de signal ont permis de mesurer ce qui était déjà déterminé en arrêtant le flux de photons à divers moments pour voir dans quels cas les sauts se produisent quand même.
Ball compare cela à quelqu’un qui décide de quitter une soirée : il est là ou parti, mais plus la soirée avance, plus la probabilité qu’il parte augmente, c’est un continuum.

« When they saw this brief pause, they switched off the input of photons driving the transitions. Surprisingly, the transition to the dark state still happened even without photons driving it — it is as if, by the time the brief pause sets in, the fate is already fixed. So although the jump itself comes at a random time, there is also something deterministic in its approach.

With the photons turned off, the researchers zoomed in on the jump with fine-grained time resolution to see it unfold. Does it happen instantaneously — the sudden quantum jump of Bohr and Heisenberg? Or does it happen smoothly, as Schrödinger insisted it must? And if so, how?

The team found that jumps are in fact gradual. That’s because, even though a direct observation could reveal the system only as being in one state or another, during a quantum jump the system is in a superposition, or mixture, of these two end states. As the jump progresses, a direct measurement would be increasingly likely to yield the final rather than the initial state. It’s a bit like the way our decisions may evolve over time. You can only either stay at a party or leave it — it’s a binary choice — but as the evening wears on and you get tired, the question « Are you staying or leaving? » becomes increasingly likely to get the answer « I’m leaving. »Ball, P. (2019)

« Capturer et inverser les sauts quantiques en plein vol »  Minev, Z. K., et al. (2019) :

The techniques developed by the Yale team reveal the changing mindset of a system during a quantum jump. Using a method called tomographic reconstruction, the researchers could figure out the relative weightings of the dark and ground states in the superposition. They saw these weights change gradually over a period of a few microseconds. That’s pretty fast, but it’s certainly not instantaneous.

What’s more, this electronic system is so fast that the researchers could « catch » the switch between the two states as it is happening, then reverse it by sending a pulse of photons into the cavity to boost the system back to the dark state. They can persuade the system to change its mind and stay at the party after all. » Ball, P. (2019)

Commentaires sur la publication et vidéos

• Commentaire des auteurs dans https://physicsworld.com/a/to-catch-a-quantum-jump/
• Video Catching and reversing a quantum jump mid-flight – M. Devoret – PRACQSYS 2018 – CEB T2 2018  https://www.youtube.com/watch?v=MNNm1uurr9Y

Références: