Quand la lumière et les atomes partagent une ambiance commune –

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  • Une caractéristique particulièrement contre-intuitive de la mécanique quantique est qu’un seul événement peut exister dans un état de superposition – se produisant à la fois ici et là, ou à la fois aujourd’hui et demain.

    De telles superpositions sont difficiles à créer, car elles sont détruites si des informations sur le lieu et l’heure de l’événement fuient dans l’environnement – et même si personne n’enregistre réellement ces informations. Mais lorsque des superpositions se produisent, elles conduisent à des observations très différentes de celles de la physique classique, remettant en cause notre compréhension même de l’espace et du temps.

    Des scientifiques de l’EPFL, du MIT et du CEA Saclay, publiant dans Progrès scientifiques, démontrent un état de vibration qui existe simultanément à deux moments différents et mettent en évidence cette superposition quantique en mesurant la classe la plus forte de corrélations quantiques entre les faisceaux lumineux qui interagissent avec la vibration.

    Les chercheurs ont utilisé une impulsion laser très courte pour déclencher un modèle de vibration spécifique à l’intérieur d’un cristal de diamant. Chaque paire d’atomes voisins oscillait comme deux masses liées par un ressort, et cette oscillation était synchrone sur toute la région éclairée. Pour conserver l’énergie pendant ce processus, une lumière d’une nouvelle couleur est émise, décalée vers le rouge du spectre.

    Cette image classique, cependant, est incompatible avec les expériences. Au lieu de cela, la lumière et les vibrations doivent être décrites comme des particules, ou quanta: l’énergie lumineuse est quantifiée en photons discrets tandis que l’énergie vibrationnelle est quantifiée en phonons discrets (du nom du grec ancien “photo = lumière” et “phono = son”).

    Le processus décrit ci-dessus doit donc être considéré comme la fission d’un photon entrant du laser en une paire de photon et de phonon – semblable à la fission nucléaire d’un atome en deux morceaux plus petits.

    Mais ce n’est pas le seul défaut de la physique classique. En mécanique quantique, les particules peuvent exister dans un état de superposition, comme le célèbre chat Schrödinger vivant et mort en même temps.

    Encore plus contre-intuitif: deux particules peuvent s’emmêler et perdre leur individualité. Les seules informations qui peuvent être collectées à leur sujet concernent leurs corrélations communes. Parce que les deux particules sont décrites par un état commun (la fonction d’onde), ces corrélations sont plus fortes que ce qui est possible en physique classique. Il peut être démontré en effectuant des mesures appropriées sur les deux particules. Si les résultats violent une limite classique, on peut être sûr qu’ils étaient intriqués.

    Dans la nouvelle étude, les chercheurs de l’EPFL ont réussi à enchevêtrer le photon et le phonon (c’est-à-dire la lumière et les vibrations) produits lors de la fission d’un photon laser entrant à l’intérieur du cristal. Pour ce faire, les scientifiques ont conçu une expérience dans laquelle la paire photon-phonon pourrait être créée à deux instants différents. Classiquement, il en résulterait une situation où la paire est créée au temps t1 avec une probabilité de 50%, ou à un instant ultérieur t2 avec une probabilité de 50%.

    Mais voici le “truc” joué par les chercheurs pour générer un état intriqué. Par un arrangement précis de l’expérience, ils ont veillé à ce que même la moindre trace du temps de création de la paire lumière-vibration (t1 vs t2) ne soit laissée dans l’univers. En d’autres termes, ils ont effacé les informations sur t1 et t2. La mécanique quantique prédit alors que le couple phonon-photon devient intriqué, et existe dans une superposition de temps t1 et t2. Cette prédiction a été magnifiquement confirmée par les mesures, qui ont donné des résultats incompatibles avec la théorie probabiliste classique.

    En montrant l’intrication entre la lumière et les vibrations dans un cristal que l’on pourrait tenir dans son doigt pendant l’expérience, la nouvelle étude crée un pont entre notre expérience quotidienne et le domaine fascinant de la mécanique quantique.

    «Les technologies quantiques sont annoncées comme la prochaine révolution technologique dans l’informatique, la communication, la détection, déclare Christophe Galland, chef du Laboratoire de quantique et de nano-optique à l’EPFL et l’un des principaux auteurs de l’étude.» Elles sont actuellement développées par les meilleures universités. et les grandes entreprises du monde entier, mais le défi est de taille. Ces technologies reposent sur des effets quantiques très fragiles ne survivant qu’à des températures extrêmement froides ou sous un vide poussé. Notre étude démontre que même un matériau commun aux conditions ambiantes peut maintenir les délicates propriétés quantiques requises pour les technologies quantiques. Il y a cependant un prix à payer: les corrélations quantiques entretenues par les vibrations atomiques dans le cristal sont perdues après seulement 4 picosecondes – soit 0,000000000004 de seconde! Cette courte échelle de temps est cependant aussi une opportunité pour développer des technologies quantiques ultra-rapides. Mais de nombreuses recherches nous attendent pour transformer notre expérience en un appareil utile – un travail pour les futurs ingénieurs quantiques. “

    Source de l’histoire:

    Matériaux fourni par Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Original écrit par Christophe Galland, Nik Papageorgiou. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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