Des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI, de l’ETH Zurich et de l’Université d’Amsterdam ont réussi une première: observer directement l’effet Magnus optique. Ce phénomène est l’équivalent optique d’un effet issu de la mécanique classique. Il revêt une importance particulière pour les calculateurs quantiques, car il influence le contrôle précis de leurs unités d’information fondamentales: les qubits.

Les joueurs professionnels de tennis de table sont passés maîtres dans l'art de dévier des projectiles qui filent à toute vitesse. Un mouvement de rotation imprimé de manière bien dosée au moment de la frappe permet à la petite balle blanche de filer droit vers le bord de la table, avant d’obliquer brutalement au dernier moment vers le coin gauche dans une courbe serrée. La phénomène physique à l’origine de cette astuce sportive est connu sous le nom d’effet Magnus. Il s’applique à des balles et des ballons de toutes tailles et a déjà contribué à de nombreuses victoires dans le football.

A l’Institut Paul Scherrer PSI, une collaboration internationale de recherche vient de franchir le pas de la balle à l’atome et a réussi une première: mettre en évidence de manière expérimentale un effet appelé effet Magnus optique. Mais dans leur expérience, on ne trouve pas d’atome qui file sur une trajectoire courbe. En lieu et place, les scientifiques dirigent un faisceau laser fortement concentré sur un ion unique, et observent l’interactions qui en résulte.

Ce faisant, ils ont réussi à montrer que le maximum de cette interaction est latéralement décalé: une découverte importante pour le développement des calculateurs quantiques où la lumière laser est utilisée pour contrôler précisément les bits quantiques ou qubits. Les scientifiques font état de leurs résultats dans la revue spécialisée Physical Review Letters.

Quand le centre se retrouve tout à coup décalé

Si l’on braque un faisceau laser fortement concentré sur un ion, on s’attendrait à ce que l’interaction la plus forte se produise là où le faisceau laser est le plus intense: en son centre. Mais la forte concentration du laser modifie également la structure spatiale de son champ électromagnétique. Si bien que ce n’est plus en plein centre du faisceau laser que l’interaction avec l’ion est la plus intense, mais est légèrement à côté. Ce décalage est la contrepartie optique de l’effet Magnus sur la balle de tennis de table.

Et de la même manière qu’un décalage inattendu dans le sport peut faire perdre la balle ou le ballon, dans les calculateurs quantiques, il peut être synonyme de perte de contrôle. Car on y utilise la lumière laser pour modifier l’état des qubits de manière ciblée. L’effet Magnus optique peut compromettre la précision de ce contrôle et, ce faisant, contribuer à des erreurs si l’on n’en tient pas compte.

Dans le même temps, cet effet est également synonyme d’opportunités: «Les forces qu’il génère peuvent être utilisées pour coupler les qubits entre eux et, de la sorte, rendre possibles des calculs plus complexes», explique Philip Leindecker, premier auteur de l’étude et chercheur au Centre des sciences photoniques du PSI et au Département de physique de l’ETH Zurich.

Cartographier la lumière laser

Pour visualiser l’effet Magnus optique, les scientifiques ont utilisé une sonde minuscule et extrêmement sensible: un unique ion de calcium. L’atome chargé électriquement est maintenu pratiquement immobile à une position donnée dans ce qu’on appelle un piège à ions, à l'aide de champs électromagnétiques. Ces ions piégés sont également utilisés dans certains calculateurs quantiques: ils y servent de qubits, dont l’état quantique peut être modifié de manière ciblée à l’aide de la lumière laser.

Pour leur expérience, les scientifiques ont étudié à différents endroits l’intensité de l’interaction entre l’ion de calcium et la lumière d’un faisceau laser fortement concentré. «Notre ion fonctionne comme un minuscule capteur que nous pouvons utiliser pour balayer la structure de la lumière laser, détaille Philip Leindecker. Cela nous permet de mesurer un décalage de l’ordre de quelques centaines de nanomètres seulement.» C'est alors qu’une surprenante propriété de cet effet est apparue: l’amplitude du décalage dépend uniquement de la longueur d’onde de la lumière, et non du degré de focalisation du laser.

L’effet Magnus optique avait déjà été prédit il y a quelques années par des scientifiques de l’Université d’Amsterdam. Avec l’ion de calcium piégé, l’équipe vient de réussir pour la première fois à observer et à caractériser avec plus de précision l’effet Magnus optique.