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Le premier contrôle quantique d'une molécule…

Depuis une vingtaine d'années, les scientifiques savent contrôler les paramètres quantiques des atomes ou des particules élémentaires (électron, photon), notamment grâce à des pièges à atomes, permettant par exemple de réaliser des horloges atomiques ou d'effectuer un calcul dans le cadre de la recherche sur l'ordinateur quantique.

Mais une nouvelle étape a été franchie par une équipe de physiciens américains et allemands. Ces chercheurs ont en effet réussi à contrôler quantiquement des molécules, ce qui ouvre de vastes peconrspectives aussi bien pour l'information quantique que pour la conception de capteurs hyper-sensibles ou le contrôle de réactions chimiques.

De fait, à l'instar des atomes, les molécules possèdent des paramètres quantiques. Mais les molécules sont bien plus fragiles, en termes quantiques, que les atomes, si bien que leurs manipulation et mesure conduisent souvent à la destruction de leur cohérence et donc à la perte des informations et caractéristiques qui pourraient servir à un calcul ou à une mesure.

Or les chercheurs ont montré comment les manipuler et également les "lire", c'est-à-dire mesurer leur état quantique, sans détruire cette cohérence. La technique qu'ils ont inventée a quelque chose du "bras de levier" : il s'agit de lier une molécule à un atome et de la manipuler à travers lui. Pour la mesure, c'est également l'atome qui est interrogé mais comme il est lié à la molécule, sa réponse informe sur l'état de cette dernière.

Concrètement, les chercheurs ont piégé deux atomes de calcium chargés (ions calcium Ca+) dans une cavité optique de quelques microns de diamètre, le tout dans une chambre à vide (à température ambiante). Puis ils ont introduit de l'hydrogène gazeux (H) jusqu'à ce que l'un des deux atomes réagisse avec l'hydrogène pour former une molécule CaH+ (ion moléculaire).

Maintenues dans la cavité optique, l'atome Ca+ et la molécule CaH+ interagissent entre eux comme deux boules liées par un ressort car leurs charges égales créent un effet repoussoir (électrostatique) alors que le confinement les pousse l'une vers l'autre.

Mais la molécule a une propriété quantique que ne possède pas l'atome : l'atome H qui lui est attaché pointe aléatoirement dans toutes les directions. On parle alors de rotation (quantique) de la molécule. En particulier, cette rotation modifie constamment la force de répulsion entre Ca+ et CaH+ si bien qu'il y a des oscillations : aléatoirement, la molécule et l'atome se rapprochent et s'éloignent.

C'est alors qu'intervient le contrôle : à l'aide d'un laser pointant sur l'atome, on peut ralentir ses oscillations, ce qui oblige la molécule à ralentir également (technique de refroidissement laser). Une autre impulsion laser, d'une fréquence bien choisie, sur la molécule peut alors la forcer à adopter un mode de rotation déterminé. Enfin, une dernière impulsion laser sur l'atome permet de confirmer le contrôle de la rotation de la molécule car celle-ci affecte le mouvement de l'atome.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

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