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Observer un « chat de Cheshire quantique » dans un interféromètre à neutrons

18 septembre 2014

LPTM - UMR 8089

En analysant les résultats d’une expérience d’interférométrie de neutrons, des physiciens ont pour la première fois mis en évidence un effet dénommé « chat de Cheshire quantique ». Dans le sous-ensemble des résultats sélectionnés selon le protocole dit « de mesure faible », tout se passe comme si les neutrons passaient par une voie de l’interféromètre tandis que leur moment magnétique passait par l’autre voie.

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Depuis que l’on sait que toute mesure quantique perturbe le système mesuré, les physiciens ont cherché à limiter les conséquences de cette limitation générale en imaginant des protocoles de mesure adaptés aux buts poursuivis : avoir une sensibilité optimale, éviter l’action retour, etc. L’un de ces formalismes, dénommé « mesure faible » consiste à effectuer une mesure habituelle en se restreignant à des états préparés dans un état initial choisi et finissant leur évolution dans un état final choisi lui aussi. Dans ce cadre, le physicien théoricien Yakir Aharonov avait entrevu la possibilité d’obtenir un « Chat du Cheshire quantique », c’est-à-dire un résultat de mesure pour lequel tout se passe comme si les propriétés physiques d’une particule étaient dissociées spatialement de cette dernière. C’est ce phénomène particulier que vient de mettre en évidence pour la première fois une collaboration austro-franco-américaine de physiciens issus du Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation - LPTM (CNRS/Univ. Cergy-Pontoise), de la Vienna University of Technology et de la Chapman University, dans une expérience réalisée à l’ILL et menée dans le cadre du projet AMADEUS1. Ce travail est publié dans la revue Nature Communications.

Dans cette expérience, un faisceau de neutrons issu du réacteur de l’ILL est envoyé dans un interféromètre réalisé à partir d’un monocristal parfait de silicium et dont la géométrie est de type Mach-Zehnder. Dans ce dispositif interférométrique, les deux bras de l’interféromètre sont séparés l’un de l’autre de 4 cm, soit environ 1 million de fois la longueur de cohérence des neutrons, de sorte qu’il est possible d’agir et d’effectuer des mesures sur chacun des deux bras sans perturber l’autre. L’état initial préparé correspond à une superposition linéaire correspondant à l’équiprobabilité d’un passage dans les deux voies de l’interféromètre et pour laquelle le moment magnétique pointe vers le haut dans une voie (voir I dans la suite) et vers le bas dans l’autre (voie II dans la suite). En sortie, on quitte l’interféromètre par l’une des sorties (ce qui correspond dans l’interféromètre à une superposition moitié-moitié des deux voies) et un moment magnétique pointant vers le bas. On mesure tout d’abord la présence du neutron dans chacune des deux voies par une mesure d’absorption. Le résultat montre que le neutron est passé par la voie II (celle pour laquelle dans l’état initial le moment magnétique pointait vers le bas) et qu’il est absent de la voie I (celle pour laquelle dans l’état initial le moment magnétique pointait vers le haut). Dans une seconde mesure, on place successivement dans chacune des deux voies un champ magnétique faisant tourner le moment magnétique. Lorsque l’on place ce champ dans la voie I, on observe un effet sur le signal de sortie (le moment magnétique initialement vers le haut tournant, il acquière une composante vers le bas, et ainsi peut interférer avec la composante passée par l’autre voie). En revanche lorsque l’on place le champ magnétique dans la voie II, lorsque le moment magnétique acquiert une composante dirigée vers le haut, cette dernière est éliminée des mesures puisque l’on ne conserve en sortie que les neutrons pointant vers le bas. L’effet apparent est donc nul. Au final, les résultats de ce protocole de mesure ont l’apparence du « chat de Cheshire » sensible à l’absorption dans une seule voie de l’interféromètre et au champ magnétique dans l’autre voie.

1Partenariat Hubert Curien (PHC) franco-autrichien

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Illustration schématique de l’expérience : un neutron et son moment magnétique (le Chat du Cheshire et son sourire) entrent dans l’interféromètre. Le chat est détecté seulement dans la voie du haut (voie II), alors que son sourire n’est détecté que dans la voie du bas (voie I)."
Crédit : TU Wien/Leon Filter
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Montage expérimental : les neutrons entrent dans l’interféromètre (placé au centre) par la gauche et en ressortent par la droite avant d’être analysés dans l’état final choisi par le détecteur O. Les 2 voies de l’interféromètre sont représentées en vert. On peut appliquer sur les voies des champs magnétiques (flèches rouges) ainsi que des absorbeurs (plaque marron).
Figure issue de la publication

En savoir plus

Observation of a quantum Cheshire Cat in a matter wave interferometer experiment
T. Denkmayr1, H. Geppert1, S. Sponar1, H. Lemmel1,2, A. Matzkin3, J. Tollaksen4 et Y. Hasegawa1, Nature Communications, 2014

Contact chercheur

Alexandre Matzkin, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Atominstitut, Vienna University of Technology, Autriche
2 Institut Laue-Langevin (ILL)
3 Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation (LPTM)
4 Institute for Quantum Studies and Schmid College of Science and Technology, Chapman University, USA

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp.com cnrs.fr