Deux expériences quantiques mettent à l’épreuve le principe d’équivalence d’Einstein

Le principe d’équivalence d’Einstein affirme, localement, qu’il est impossible de distinguer les effets de la gravité de ceux d’une accélération. Il implique aussi que des corps en chute libre réagissent de la même manière à la gravité. Deux expériences récentes d’interférométrie atomique ont mis cette idée à l’épreuve dans des situations résolument quantiques. Leur conclusion est importante, mais doit être formulée avec prudence : dans les limites de précision atteintes, la matière quantique s’est comportée conformément au principe d’équivalence. 231

Deux expériences, deux volets du principe d’équivalence

Les deux résultats se complètent plutôt qu’ils ne se répètent.

• Le Quantum Galileo Interferometer, réalisé sur Terre, a étudié la phase d’une onde de matière cohérente en chute libre.
• L’expérience menée à bord de la station spatiale chinoise a comparé l’accélération relative de deux isotopes de rubidium en chute libre orbitale.

Dans les deux cas, l’interférence — le comportement ondulatoire des atomes — permet de convertir l’effet de la gravité en un décalage de phase mesurable. La première expérience examine surtout la description quantique du passage entre un référentiel de laboratoire et un référentiel en chute libre ; la seconde teste le principe d’équivalence faible, c’est-à-dire l’universalité de la chute libre. 231

Observer la phase d’une onde quantique qui tombe

Dans l’expérience terrestre, les chercheurs ont employé un interféromètre à atomes froids. Une composante de l’onde de matière est restée immobile dans le référentiel du laboratoire, tandis qu’une autre a été placée en chute libre. La comparaison des deux paquets d’ondes a révélé une phase relative conforme à la phase de jauge prédite pour un objet quantique en chute libre. Les auteurs présentent ce résultat comme une observation directe de la phase quantique de la chute libre dans leur régime de basse énergie. 12

La nuance est essentielle : un objet classique qui tombe renseigne sur la gravité par sa trajectoire. Ici, la grandeur observée est la phase d’une onde quantique cohérente. L’interférométrie rend cette phase accessible en faisant interférer deux trajectoires quantiques.

En orbite, comparer la chute de deux isotopes

Une autre équipe a fait fonctionner un interféromètre atomique à deux espèces à bord de la station spatiale chinoise. L’instrument a comparé des nuages ultrafroids de rubidium-85 et de rubidium-87, deux isotopes de masses différentes, alors que les atomes et le vaisseau spatial étaient en chute libre orbitale continue. 1931

Pour limiter le bruit de phase et améliorer la précision, les chercheurs ont notamment utilisé une suppression des mouvements de la plateforme, une commutation de la détection par fluorescence et une commutation du désaccord à deux photons. Sur 280 jours de données dédiées au test du principe d’équivalence faible, ils rapportent une incertitude de (2,8 \times 10^{-8}). Le résultat annoncé, ((-3,1 \pm 4,6) \times 10^{-7}), reste compatible avec l’absence d’accélération différentielle détectable après leur analyse des erreurs. 2231

Autrement dit : à cette précision, rien n’indique que les deux isotopes de rubidium tombent différemment.

Pourquoi emmener les interféromètres atomiques dans l’espace ?

La microgravité permet, en principe, de laisser évoluer les atomes beaucoup plus longtemps que dans une expérience de chute réalisée au sol. Ce temps d’interrogation accru peut renforcer la sensibilité d’un interféromètre atomique aux accélérations, à condition de maîtriser la cohérence quantique, l’expansion du nuage atomique, les gradients de gravité et le bruit instrumental. 432

L’orbite n’est toutefois pas un environnement parfaitement calme. Les mouvements et vibrations d’une station habitée peuvent imprimer des décalages de phase parasites. C’est pourquoi la suppression du mouvement de la plateforme a été un élément central de l’expérience à bord de la station spatiale chinoise. 1931

Ce que ces résultats démontrent — et ce qu’ils ne démontrent pas

Ces expériences constituent des tests significatifs de compatibilité entre des principes de la relativité générale et la matière quantique. Elles ne prouvent pas que la gravité est elle-même quantique.

Elles ne démontrent notamment pas :

• que le champ gravitationnel peut se trouver dans une superposition quantique ;
• l’existence des gravitons ;
• que la gravité peut intriquer deux masses ;
• ni l’existence d’une théorie unifiant la relativité générale et la mécanique quantique.

Les résultats peuvent être compris comme l’évolution de systèmes quantiques dans un environnement gravitationnel effectivement classique, suivie d’un test des prédictions liées au principe d’équivalence. Ils n’excluent pas non plus toutes les formes possibles de nouvelle physique : ils ne contraignent d’éventuelles déviations que pour les atomes, les conditions expérimentales et le niveau de précision effectivement étudiés.

Les prochaines étapes

Des objets plus lourds, comme les nanodiamants

Une piste consiste à créer des superpositions quantiques avec des objets bien plus massifs que des atomes. Une proposition d’interféromètre de table à base de nanodiamants prévoit par exemple de préparer des superpositions spatiales associées aux spins des nanodiamants, puis de laisser leur interaction gravitationnelle produire un effet d’intrication. Il s’agit d’une étude de faisabilité, et non d’un résultat établi par les expériences au rubidium. 20

De tels dispositifs pourraient aussi servir à examiner des modèles proposés d’effondrement de la fonction d’onde lié à la gravité. La difficulté expérimentale sera de distinguer une éventuelle perte anormale de visibilité des franges d’interférence de la décohérence ordinaire causée par l’environnement.

Davantage de chute libre et des plateformes moins bruyantes

De futurs concepts d’expériences orbitales visent à améliorer nettement les tests menés avec deux isotopes de rubidium. Une mission proposée sur station spatiale ambitionne de mesurer l’universalité de la chute libre avec une précision meilleure que (10^{-15}). Elle envisage également des tests de couplages entre le spin et la gravité, ainsi que l’étude de paquets d’ondes cohérents séparés sur de grandes distances. 17

Atteindre une telle sensibilité demandera bien plus qu’un temps prolongé en microgravité : il faudra une excellente isolation contre les vibrations, des lasers très stables, un contrôle rigoureux des sources atomiques et une maîtrise des erreurs systématiques. Une plateforme orbitale dédiée et moins bruyante pourrait donc compter autant que l’allongement du temps de chute libre.

L’essentiel à retenir

L’avancée n’est pas la découverte de la gravité quantique. Elle réside dans le fait que deux expériences quantiques très différentes — l’une mesurant la phase de chute libre d’une onde de matière sur Terre, l’autre comparant deux isotopes en orbite — ont donné des résultats compatibles avec le principe d’équivalence d’Einstein. La prochaine frontière consiste à rendre ces tests plus sensibles, à employer des objets plus massifs et à mieux les isoler, afin de sonder des effets qu’une description classique de la gravité pourrait ne plus suffire à expliquer. 21731