L’équipe dirigée par le physicien Ron Folman, de l’Université Ben Gourion du Néguev, composée de chercheurs venus d’Allemagne, du Royaume-Uni et des États-Unis, avec la participation du lauréat du prix Nobel Roger Penrose, a placé un seul atome dans une superposition de deux trajectoires différentes afin d’étudier l’intersection entre la mécanique quantique et la relativité. Dans le dispositif appelé Quantum Galileo Interferometer (QGI), l’atome suivait une trajectoire en chute libre tandis que celui de l’autre trajectoire était maintenu immobile. Les deux trajectoires ont été réunies simultanément au même point, permettant de mesurer la différence de phase créée par la chute dans la propriété ondulatoire de l’atome.
La nature ondulatoire des atomes ne peut être observée qu’à des températures proches du zéro absolu et à très faibles vitesses. Comme la phase ne peut pas être mesurée seule, il faut séparer une seule particule sur deux trajectoires, puis les réunir. Dans l’expérience de chute libre, l’accélération de l’atome en train de tomber aurait toutefois pu perturber l’interférence quantique, car elle aurait fourni des informations sur la trajectoire suivie. L’équipe a résolu ce problème en projetant l’un des atomes vers le haut afin qu’il revienne à son point de départ sous l’effet de la gravité, tandis que l’autre était maintenu immobile dans les airs par une force magnétique. Au moment où l’atome en chute revenait, une seconde impulsion magnétique annulait sa vitesse lorsqu’il atteignait son point de départ.
Le QGI utilise des impulsions micro-ondes et magnétiques ; environ 20 000 atomes de rubidium sont organisés sous la forme d’un condensat de Bose-Einstein, maintenu par les champs générés par des fils microscopiques sur une puce. La puce est suspendue à l’envers, à environ 113 micromètres au-dessus des atomes. La distance maximale entre les trajectoires a atteint environ 7,5 micromètres, tandis que le temps de vol le plus long a atteint deux millièmes de seconde. Il a été observé que la phase augmentait à mesure que la chute se prolongeait, et les données ont montré la différence de phase prédite par la théorie.
Les chercheurs ont indiqué que le résultat démontrait pour la première fois que le principe d’équivalence s’appliquait à un système en superposition quantique. La phase mesurée présentait un écart de 2,5 pour cent par rapport à la prédiction théorique. L’équipe a déclaré que l’expérience constituait un point de contrôle pour tester la frontière entre la relativité d’Einstein et la mécanique quantique.
Le laboratoire de Folman travaille désormais sur un QGI plus grand, qui permettra de placer en superposition des nanodiamants 10 ordres de grandeur plus lourds que les atomes. L’objectif est de tester la superposition de différentes courbures de l’espace-temps et d’observer l’effondrement quantique prédit par l’hypothèse de Penrose et de Lajos Diósi. L’équipe espère que cela sera possible dans quatre ou cinq ans. L’étude a été publiée dans Science Advances en 2026 ; DOI: 10.1126/sciadv.aec8045.
Pourquoi est-ce important
Cette étude fournit un fondement expérimental montrant que le principe d’équivalence ne se limite pas au mouvement des corps classiques, mais qu’il peut également être testé pour un seul système en superposition quantique. Le résultat constitue donc un point de contrôle qui pourra être utilisé, dans les recherches portant conjointement sur la mécanique quantique et la relativité, pour évaluer la compatibilité entre les deux théories. L’écart de 2,5 % entre la mesure et la prédiction théorique relance la question de la mise à l’épreuve de la méthode sur des systèmes plus grands. Pour les chercheurs travaillant notamment à l’intersection de la physique quantique, de la gravitation et de la physique fondamentale, la question ouverte est de savoir si ce principe sera également préservé dans la superposition de nanodiamants beaucoup plus lourds que les atomes et comment il se comportera en présence de différentes courbures de l’espace-temps.