Essayer de comprendre comment rendre les systèmes quantiques utiles à la détection peut aider à découvrir les secrets du quantique lui-même.
«Ma carrière universitaire est encore relativement jeune», explique le Dr George Mihailescu, chercheur postdoctoral à l'University College Dublin (UCD) qui développe des techniques avancées de détection quantique.
Mihailescu a obtenu un diplôme de premier cycle en physique de la Dublin City University en 2019. Plus tard, il a obtenu une maîtrise en mathématiques appliquées et en physique théorique de l'UCD. «C'est à cette époque que mes intérêts ont commencé à se concentrer plus spécifiquement sur la physique quantique», explique Mihailescu.
« Mon mémoire de maîtrise portait sur la façon de concevoir des protocoles efficaces pour charger des batteries quantiques, ce qui m'a donné ma première opportunité de travailler en profondeur sur des problèmes liés à l'information quantique et aux technologies quantiques. »
En 2021, Mihailescu a entamé un doctorat de quatre ans axé largement sur la compréhension des systèmes quantiques complexes à N corps à l’aide d’outils modernes de théorie de l’information quantique.
« Au cours de mon doctorat, mes intérêts se sont de plus en plus orientés vers la détection quantique : en particulier, la question de savoir si les effets collectifs complexes qui surviennent dans les systèmes à N corps pourraient être exploités comme ressource pour concevoir des capteurs quantiques plus sensibles », dit-il.
« Parallèlement à cela, je me suis intéressé à des questions plus pratiques, telles que la manière dont ces protocoles de détection peuvent être rendus robustes au bruit, aux imperfections et à d’autres effets néfastes qui surviennent inévitablement dans des environnements réalistes. »
Les travaux de Mihailescu à l'UCD en tant que chercheur postdoctoral se concentrent sur le refroidissement des atomes à des températures extrêmement basses afin de contrôler leur comportement quantique.
« Notre objectif est de développer et de mettre en œuvre des techniques avancées de détection quantique dans ces systèmes, en réunissant les idées théoriques sur lesquelles j'ai travaillé pendant mon doctorat avec des expériences où ces idées peuvent être testées et appliquées. »
Qu’est-ce qui vous a poussé à devenir chercheur ?
J'ai toujours été l'enfant qui posait beaucoup trop de questions à mes parents et à mes professeurs, et j'étais très curieuse du monde naturel.
Un souvenir qui m'est toujours resté est la lecture d'un livre pour enfants sur Einstein. Il décrit les célèbres débats entre Einstein et Bohr sur la mécanique quantique, y compris les expériences de pensée qu'ils ont utilisées pour remettre en question leurs idées respectives. Avec le recul, je pense que ce fut probablement ma première véritable étincelle d’intérêt pour la physique quantique.
Durant mes études collégiales, j'ai eu la chance de pouvoir effectuer plusieurs stages dans des laboratoires de recherche. C’est à ce moment-là que la science est devenue beaucoup plus tangible pour moi : plutôt que de simplement apprendre des idées établies dans les manuels scolaires, j’ai pu comprendre ce que signifiait travailler sur des questions dont la réponse n’était pas déjà connue.
Qu’est-ce que les gens se trompent le plus à propos de la physique quantique ?
Je pense qu’une idée fausse très répandue est que la mécanique quantique n’a d’importance que pour les très petites particules, comme les atomes ou les électrons individuels. C’est là que les effets quantiques sont souvent les plus faciles à observer, mais la théorie elle-même ne cesse pas soudainement de s’appliquer à mesure que les systèmes s’agrandissent.
En fait, il existe un grand intérêt à repousser la frontière entre les mondes quantique et classique en démontrant un comportement véritablement quantique dans des systèmes de plus en plus grands.
C’est quelque chose que je trouve particulièrement intéressant, car cela nous rappelle que la mécanique quantique n’est pas seulement une théorie des minuscules particules. C'est le cadre qui, selon nous, décrit la nature de manière plus générale. La vraie question est de savoir pourquoi le comportement quantique devient si difficile à observer à mesure que les systèmes deviennent plus grands, plus complexes et plus fortement couplés à leur environnement.
Selon vous, pourquoi vos recherches sont-elles importantes ?
Je pense que cette recherche est importante pour deux raisons. Le plus évident est l’impact potentiel de la détection quantique elle-même.
Si nous apprenons à contrôler et à utiliser correctement les systèmes quantiques, ils nous permettront de mesurer des quantités physiques avec une précision extrêmement élevée. Cela pourrait éventuellement être utile dans des domaines tels que la navigation, la cartographie des structures souterraines grâce à de minuscules variations des champs gravitationnels ou la détection de signaux très faibles qui seraient autrement difficiles à observer.
La sensibilité n'est pas seulement utile pour construire un meilleur capteur ; il peut également servir de sonde à la physique sous-jacente.
Pour les systèmes complexes à N corps, cela peut nous aider à identifier les structures cachées, les changements dans les corrélations, le comportement de transport ou d'autres effets physiques qui ne sont pas toujours évidents à partir de mesures plus conventionnelles.
Il existe donc une sorte de rétroaction entre les deux objectifs : en essayant de comprendre comment rendre les systèmes quantiques utiles à la détection, nous pouvons également découvrir de nouvelles informations sur les systèmes quantiques eux-mêmes.
Le quantum devrait avoir un impact commercial énorme. Comment pensez-vous que votre travail se verra commercialement ?
La détection quantique est un domaine commercialement intéressant car les capteurs sont déjà partout. Nous les utilisons dans des environnements très familiers, depuis les thermomètres et les voitures jusqu'aux téléphones, ordinateurs portables et systèmes industriels.
La question reste ouverte de savoir si les capteurs quantiques finiront par imprégner toutes ces applications, mais je pense qu’ils ont clairement un rôle à jouer dans les domaines où nous avons besoin d’un nouveau niveau de précision ou de sensibilité.
Cela pourrait inclure des éléments tels que la navigation sans dépendre des signaux satellite. Ceci est particulièrement intéressant dans des environnements comme les océans profonds, où le GPS ne fonctionne pas et où la radio et la lumière sont fortement atténuées par l’eau de mer.
Des capteurs quantiques très sensibles pourraient potentiellement aider les véhicules à naviguer en détectant de très petits changements dans des quantités telles que l'accélération, la rotation, la gravité ou les champs magnétiques, et les mêmes types de mesures pourraient également nous aider à cartographier le fond marin ou à sonder les structures sous-marines d'une manière qui est actuellement très difficile.
Les ordinateurs quantiques et autres appareils quantiques reposent sur des effets physiques extrêmement sensibles à leur environnement. De petites fluctuations de température, de champs magnétiques, de vibrations ou d'autres sources de bruit peuvent dégrader ou détruire le comportement quantique que nous essayons d'exploiter.
Les capteurs quantiques pourraient donc jouer un double rôle : en tant que technologies ayant des applications importantes en soi, mais également en tant qu’élément de l’infrastructure nécessaire pour rendre les autres technologies quantiques pratiques et fiables.
Existe-t-il des idées fausses courantes sur ce domaine de recherche ?
Une idée fausse est que le simple fait de rendre un capteur quantique le rend automatiquement meilleur. La mécanique quantique peut, en principe, nous permettre d’atteindre des niveaux de sensibilité qui ne seraient pas possibles autrement, mais en réalité, réaliser cet avantage est beaucoup plus compliqué.
Les états quantiques qui nous confèrent une sensibilité accrue peuvent également être particulièrement fragiles, de sorte que le bruit, un contrôle imparfait et les interactions avec l’environnement peuvent rapidement supprimer l’avantage que nous espérions obtenir.
Une grande partie de la recherche ne consiste donc pas seulement à se demander : « La mécanique quantique peut-elle rendre cette mesure plus précise ? », mais à se demander dans quelles conditions réalistes cet avantage survit et si nous pouvons concevoir des protocoles à la fois hautement sensibles et robustes.
Je pense que la distinction entre ce qui est possible en principe et ce qui peut réellement être mis en œuvre se perd parfois lorsque l’on discute plus largement des technologies quantiques.
Il existe également une tendance à considérer la détection uniquement comme une application de la physique quantique, alors qu’elle peut également fonctionner dans l’autre sens. Étudier la sensibilité avec laquelle un système quantique réagit à de petits changements peut en soi fournir un moyen d’en apprendre davantage sur la physique sous-jacente, en particulier dans les systèmes complexes à N corps.
La détection quantique ne consiste donc pas seulement à construire de meilleurs appareils de mesure ; cela peut également nous offrir une nouvelle façon de comprendre les systèmes quantiques eux-mêmes.
Quels sont les domaines de recherche que vous aimeriez voir abordés dans les années à venir ?
Un domaine que j’aimerais vraiment voir développé davantage est notre compréhension du chaos quantique et, plus largement, de la façon dont l’information se propage à travers des systèmes quantiques complexes.
En physique classique, le chaos est associé à une extrême sensibilité aux conditions initiales : l’idée selon laquelle de très petites différences au début peuvent éventuellement conduire à des résultats complètement différents.
Les systèmes quantiques ne se comportent pas exactement de la même manière, mais des questions étroitement liées se posent sur la façon dont l'information est distribuée dans un système à N corps et sur la façon dont des états initialement simples évoluent vers des états extrêmement compliqués.
Un concept qui revient ici est celui du brouillage. Si vous perturbez une petite partie d’un système quantique, cette information peut progressivement se propager à plusieurs de ses éléments constitutifs jusqu’à devenir effectivement cachée dans des corrélations complexes dans l’ensemble du système. La thermalisation est étroitement liée à cela : comment un système quantique isolé, évoluant selon une mécanique quantique parfaitement réversible, peut néanmoins apparaître thermique et perdre apparemment la mémoire de ses débuts.
