Métrologie quantique : un réseau de capteurs pour dépasser la limite standard

Une collaboration entre le LKB et l’Université de Bâle vient de franchir une étape clé en métrologie quantique multiparamétrique. En divisant un condensat de Bose-Einstein en plusieurs nuages atomiques corrélés, les chercheurs sont parvenus à mesurer conjointement plusieurs paramètres physiques avec une précision dépassant la limite quantique standard [1].

De nombreux capteurs quantiques, tels que les horloges et les magnétomètres atomiques, tirent parti du déphasage qui se développe entre deux niveaux d’énergie d’un système, par exemple un atome, initialement préparé dans une superposition des deux niveaux. Les systèmes à deux niveaux peuvent être considérés comme des spins 1/2 et le déphasage se traduit par une précession des spins dans le plan équatorial d’une sphère imaginaire appelée sphère de Bloch.

Un capteur formé de N atomes préparés dans le même état initial est décrit par un « spin collectif » de taille N/2, dont la fréquence de précession est typiquement proportionnelle au paramètre physique que l’on souhaite mesurer. Bien que permettant des mesures parmi les plus précises en physique, ces capteurs sont intrinsèquement soumis au bruit de projection quantique qui impose une limite inférieure sur l’erreur statistique de la mesure (limite quantique standard) dans le cas d’atomes indépendants.

Dans un condensat de Bose-Einstein d’atomes froids à deux états internes, les interactions fournissent une non-linéarité qui crée des corrélations entre les atomes. Les fluctuations quantiques du spin collectif décrivant les degrés de liberté internes du système sont alors modifiées et permettent de mesurer la fréquence de précession avec une meilleure précision que la limite quantique standard. Ces états, dits comprimés, ont déjà été réalisés en laboratoire et leur utilité dans la mesure d’un paramètre physique, tel que la différence d’énergie entre deux niveaux atomiques, a été démontrée expérimentalement.

Dans certains cas cependant, comme pour la caractérisation d’un champ spatialement inhomogène, on souhaite déterminer conjointement non pas un mais plusieurs paramètres physiques inconnus, correspondant par exemple aux différentes valeurs que le champ prend localement. En exploitant l’idée des états de spin comprimés, on peut alors espérer utiliser un réseau de capteurs (spins collectifs) corrélés pour passer sous la limite quantique standard.

Or, c’est précisément ce qu’une collaboration entre un groupe expérimental de l’Université de Bâle et des chercheurs théoriciens du LKB a permis de démontrer pour la première fois avec des atomes froids. On parle dans ce cas de métrologie quantique multiparamétrique, un domaine de recherche en plein développement.

Le réseau de capteurs corrélés est obtenu en divisant en plusieurs composantes spatialement séparées, en pratique deux ou trois, un condensat de Bose-Einstein initialement préparé dans un état de spin comprimé. Chacune des composantes forme un spin collectif qui sert de capteur, et les paramètres à mesurer sont enregistrés sous la forme d’un angle de rotation de ce spin (voir la figure). Dans le cas à deux paramètres, une réduction de 33% du bruit quantique (écart type des estimateurs) a été obtenue.

En réalité, on mesure avec gain quantique différentes combinaisons linéaires indépendantes des paramètres, ce qui nécessite de modifier les corrélations quantiques de l’état comprimé de spin initial. Les chercheurs ont proposé un protocole basé sur ce principe et ont démontré son optimalité pour les ressources disponibles (un nombre fixé d’atomes et de réalisations de l’état comprimé initial).

De petits réseaux de capteurs corrélés, tels que ceux démontrés dans ce travail, pourraient servir à la caractérisation locale (mesure du gradient, de la courbure ou d’autres moments spatiaux) d’un champ électromagnétique, gravitationnel ou inertiel, une voie que nous explorerons dans la suite.

[1] « Multiparameter estimation with an array of entangled atomic sensors » Yifan Li, Lex Joosten, Youcef Baamara, Paolo Colciaghi, Alice Sinatra, Philipp Treutlein, Tilman Zibold, Science 2026.

Référence : Yifan Li, Lex Joosten, Youcef Baamara, Paolo Colciaghi, Alice Sinatra, Philipp Treutlein, Tilman Zibold « Multiparameter estimation with an array of entangled atomic sensors » Science, 22 Jan 2026 Vol 391, Issue 6783 pp. 374-378

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2442