En utilisant l'intrication quantique comme GPS, un positionnement précis peut être obtenu même dans des zones sans signal

L'intrication quantique fait référence à un phénomène de couplage spécial qui se produit entre les particules. Dans l'état intriqué, nous ne pouvons pas décrire les propriétés de chaque particule individuellement, mais seulement les propriétés du système global. Cette influence ne disparaît pas avec le changement de distance, même si les particules sont séparées par l'univers entier.

Une nouvelle étude montre qu'en utilisant les mécanismes d'intrication quantique, les capteurs peuvent être plus précis et plus rapides pour détecter les mouvements. Les scientifiques pensent que ces résultats pourraient aider à développer des systèmes de navigation ne reposant pas sur le GPS.

Dans une nouvelle étude soumise dans "Nature Photonics" par l'Université de l'Arizona et d'autres institutions, des chercheurs ont mené des expériences sur des capteurs optomécaniques, qui utilisent des faisceaux lumineux pour répondre aux interférences. Ces capteurs agissent comme des accéléromètres que les smartphones peuvent utiliser pour détecter les mouvements. D'autre part, les accéléromètres peuvent également être utilisés dans les systèmes de navigation inertielle dans les zones où les signaux GPS sont faibles, comme dans le sous-sol, sous l'eau, à l'intérieur des bâtiments, dans les zones éloignées et dans les endroits où les signaux radio sont interférés.

Article "Détection optomécanique améliorée par enchevêtrement" :

Lien article : https://www.nature.com/articles/s41566-023-01178-0

Pour améliorer les performances de la détection optomécanique, les chercheurs tentent d'utiliser l'intrication, qu'Einstein a appelé « l'action effrayante à distance ». Les particules intriquées sont essentiellement synchronisées, quelle que soit leur distance.

Les chercheurs espèrent disposer d’un prototype de puce d’accéléromètre intriqué d’ici deux ans.

Bien que l'intrication quantique ignore la distance, elle est également extrêmement sensible aux interférences externes. Les capteurs quantiques profitent de cette sensibilité pour permettre de détecter la moindre perturbation du milieu environnant.

"Auparavant, nos recherches sur la détection optomécanique quantique améliorée se concentraient principalement sur l'amélioration de la sensibilité d'un seul capteur", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Yi Xia, physicien quantique à l'Université de l'Arizona à Tucson. "Cependant, des études théoriques et expérimentales récentes ont montré que l'intrication peut améliorer considérablement la sensibilité entre plusieurs capteurs, une approche connue sous le nom de détection quantique distribuée."

Le mécanisme des capteurs optomécaniques repose sur la synchronisation de deux faisceaux laser. Un faisceau de lumière est réfléchi par un composant appelé oscillateur, et tout mouvement de l'oscillateur modifie la distance parcourue par la lumière pour se rendre au détecteur. Une telle différence dans la distance parcourue devient apparente lorsque le deuxième faisceau chevauche le premier. Si le capteur est stationnaire, les deux faisceaux sont parfaitement alignés ; si le capteur est en mouvement, les ondes lumineuses qui se chevauchent créent un motif d'interférence qui révèle l'ampleur et la vitesse du mouvement du capteur.

Dans la nouvelle étude, le capteur du groupe de Dal Wilson à l'Université de l'Arizona utilise une membrane comme oscillateur, qui agit un peu comme une peau de tambour qui vibre après avoir été frappée.

Ici, au lieu de faire briller un faisceau sur un oscillateur, les chercheurs ont divisé un faisceau laser infrarouge en deux faisceaux intriqués, qui se reflétaient depuis les deux oscillateurs sur deux détecteurs. Cette nature intriquée de la lumière permet essentiellement à deux capteurs d’analyser un seul faisceau de lumière, travaillant ensemble pour augmenter la vitesse et la précision.

"Nous pouvons utiliser l'intrication pour améliorer les performances de détection de force de plusieurs capteurs optomécaniques", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Zheshen Zhang, physicien quantique à l'Université du Michigan à Ann Arbor.

De plus, afin d'améliorer la précision de l'appareil, les chercheurs ont utilisé ce qu'on appelle la « lumière compressée ». La compression de la lumière tire parti d'un principe clé de la physique quantique : le principe d'incertitude de Heisenberg, qui stipule que lorsque la position d'une particule est déterminée, sa quantité de mouvement est complètement incertaine ; si sa quantité de mouvement est déterminée, sa position n'est pas du tout sûre. La lumière compressée exploite ce compromis pour « comprimer » ou réduire l'incertitude dans la mesure d'une variable donnée - dans ce cas, la phase des ondes qui composent le faisceau laser - tout en augmentant l'incertitude dans la mesure d'une autre variable, mais le personnel de l'étude peut être ignoré.

"Nous sommes l'une des rares équipes capables de créer des sources de lumière compressées et nous l'explorons actuellement comme base pour la prochaine génération de technologie de mesure de précision", a déclaré Zheshen Zhang.

Au total, les scientifiques ont pu collecter des mesures 40 % plus précises et 60 % plus rapides qu'en utilisant deux faisceaux non intriqués. En outre, ils affirment que la précision et la rapidité de cette méthode devraient augmenter à mesure que le nombre de capteurs augmente.

"Ces résultats signifient que nous pouvons encore améliorer les performances de la détection de force d'ultra-précision à des niveaux sans précédent", a déclaré Zheshen Zhang.

Les chercheurs affirment que l'amélioration des capteurs optomécaniques peut non seulement conduire à de meilleurs systèmes de navigation inertielle, mais également aider à détecter des phénomènes mystérieux tels que la matière noire et les ondes gravitationnelles. La matière noire est une substance invisible qui représenterait les cinq sixièmes de toute la matière de l'univers, et la détection de ses éventuels effets gravitationnels peut aider les scientifiques à comprendre ses propriétés. Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans la structure de l’espace-temps qui peuvent aider à révéler des mystères allant des trous noirs au Big Bang.

Ensuite, les scientifiques envisagent de miniaturiser leur système. Il est déjà possible de placer des sources lumineuses compressées sur des puces d'un demi-centimètre de large seulement. D’ici un an ou deux, nous pouvons nous attendre à avoir des prototypes de puces comprenant des sources de lumière compressées, des séparateurs de faisceaux, des guides d’ondes et des capteurs inertiels. "Cela rendra cette technologie plus pratique, plus abordable et plus accessible", a déclaré Zheshen Zhang.

De plus, l'équipe de recherche travaille actuellement avec Honeywell, le Jet Propulsion Laboratory, le NIST et plusieurs autres universités pour développer une unité de mesure inertielle améliorée quantique à l'échelle d'une puce. Zheshen Zhang a déclaré : « Notre vision est de déployer de tels capteurs intégrés dans des véhicules autonomes et des engins spatiaux pour obtenir une navigation précise sans signaux GPS.

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