un photon

Puissance et
étrangeté du
quantique
Serge Haroche
Collège de France et Ecole Normale
Supérieure (Paris)
La physique quantique nous a donné les clés du monde
microscopique des atomes et a conduit au développement de la
technologie moderne qui a révolutionné notre vie quotidienne…
…mais ses lois sont contre intuitives, comme l’illustre le
paradoxe du chat de Schrödinger suspendu entre vie et mort…
…et les expériences récentes qui mettent en œuvre l’étrangeté
de la logique quantique font entrevoir un monde nouveau
d’applications…
Bohr
1913
atomes
Molécules et
chimie
solides
La physique quantique:
une théorie de
cosmologie
La comprehension du monde des atomes nous
a conduit aux technologies modernes…
Transistor et
ordinateur
Lasers
La physique quantique a commencé avec le
photon et le dualisme onde-particule
Le ‘’scandale’’ d’une courbe en
cloche décrivant un phénomène
très simple, inexplicable par la
physique classique: la
distribution spectrale du
rayonnement thermique
Analogie avec une autre courbe en
cloche: la distribution des vitesses
(et des énergies cinétiques) des
molécules dans un gaz
Puissance d’une analogie:
«!Explication!»
classique
Planck
Einstein en 1905, explicitant Planck, comprend que le mystère s’éclaircit si
on admet que la lumière, comme un gaz, est constitué d’un ensemble de
particules…et il ouvre une boîte de Pandore en nous conduisant dans un
monde étrange ou règne le principe de superposition des états…
Les premières théories des quanta nous ont
conduit pas à pas dans un monde étrange…
La lumière est
quantifiée…
1905
…tout comme les
orbites électroniques
des atomes….
1913
Le dualisme ondeparticule introduisit le
principe de superposition
en physique, mettant à
mal les idées classiques
sur le déterminisme et la
réalité physique…
… suggérant que
les électrons sont
aussi des ondes..
1923
Théorie quantique:
Heisenberg,
Schrödinger, Dirac
(1926)
Dualisme onde-particule et principe de
superposition: l’expérience de Young
Comment les photons
arrivent-ils seulement
sur les franges
brillantes s’ils passent
un à un par une fente
ou l’autre et comment apparaissent ils
comme des points s’ils sont des ondes?
Merci à J-F Roch (ENS Cachan- Labo Aimé
Cotton)
Chaque photon doit passer par les deux trous à la fois: plus de
trajectoire au sens classique et principe de superposition:
|particule>=|par fente de gauche> + |par fente de droite>
Même dilemme pour la matière: les électrons,
atomes..molécules sont des ondes et des particules (de Broglie,
1923) et le principe de superposition s’applique à eux aussi:
(«!chat de Schrödinger!» suspendu entre deux réalités)
© R. Werner
Une expérience
avec des photons,
des électrons ou
des atomes
Une
physique
statistique…
…dans laquelle
les particules
se comportent
comme des
ondes!
© R. Werner
Prédiction de
la théorie quantique:
L‘équation d‘onde!
intensité
Une onde
de
probabilité
interférence
© R. Werner
Qu‘a fait la particule
entre sa
préparation et sa détection?
Par quel trou est-elle
passée?
© R. Werner
Distribution des
particules
passées par la
fente du haut
© R. Werner
Distribution des
particules passées
par la fente du
bas
© R. Werner
L‘essai de suivre le
chemin de la
particule...
…modifie le montage
expérimental (et donc
ce qui se passe)
somme
interférence
détruite
© R. Werner
Peut-on regarder plus
subtilement?
Particule
perturbée
par les
photons
Même voir à
travers un
microscope
influence
la particule
Mieux on cherche à
localiser la particule, plus
on change le système et on
détruit les interférences...
Complémentarité
(Bohr)!
L’étrange logique quantique: les probabilités
interfèrent!
1 1
+ !2
2 2
1 1
+ !0
2 2
Physique probabiliste avec des
probabilités qui se comportent
comme des ondes…tant qu’on
ne cherche pas à savoir par
quel trou la particule est
passée
Autre exemple d’interférence quantique: excitation d’un
atome par deux impulsions lumineuses successives
1 1
+ !2
2 2
1 1
+ !0
2 2
Pour certains délais entre les
impulsions, l’atome est porté
dans l’état supérieur
Pour d’autres délais,
l’atome est ramené à l’état
inférieur…
L’interférometre de Ramsey mélange les niveaux atomiques
deux fois et enregistre des franges lorsque la fréquence
des impulsions est variée
e
g
!r"
…
La source microonde asservie aux fines franges atomiques
réalise un standard de temps: une horloge atomique
Horloge d’autant plus précise que les
impulsions sont plus séparées: avantage des
atomes lents, refroidis par laser
Horloge
fontaine
atomique
Précision de 100 picosecondes par
jour (1 seconde en 30 Millions
d’années!)
[Hz]
franges de Ramsey d’une horloge fontaine
Le système GPS: triangulation grâce aux signaux reçus
d’horloges embarquées sur une flotille de satellites: une
précision de quelques m correspond à une précision de 1ns/jour
Les corrections relativistes sont
essentielles!
Ralentissement des horloges
embarquées dû à leur vitesse (relativité
restreinte) et accélération due à leur
altitude (relativité générale): décalages
de plusieurs microsecondes par jour!
Sans corrections relativistes, les erreurs
seraient de plusieurs kilomètres!
Les appareils GPS exploitent la
physique quantique et la relativité pour
notre bénéfice quotidien, sans que nous
en soyons conscients (étrangeté voilée)
Physique quantique et superposition d’états…
x
y
Superposition d’états de positions…
|#>=|X> + |Y>
…ou d’états électroniques d’énergies
différentes…
+
Le chat de Schrödinger
Etrangeté des superpositions exportées dans
le monde macroscopique…
Intrication quantique (non séparabilité)
La mesure donne un résultat aléatoire..
Ici ou là?
..et détruit la superposition
(particule en x ou y, plus en x et y)
Dieu joue aux dés
Décoherence
Environnement
ou
L’environnement «!mesure!»
le système et détruit la
cohérence quantique
responsable des
interférences…
Une expérience de pensée pour tester la
complémentarité onde-particule
Fente
mobile
Discussion EinsteinBohr en 1927
déjà un chat de
Schrödinger!
Einstein: le transfert d’impulsion p à la fente mobile détermine le chemin
Bohr: il faut définir l’impulsion initiale de la fente avec un très petit !p.
Donc, $x doit être grand d’après la relation d’incertitude de Heisenberg
$x.$p > h. Si $x est grand, les franges sont brouillées à cause de
l’incertitude sur la différence de marche entre les deux chemins.
|photon/ fente du haut>|fente mobile bouge> + |photon/ fente du bas>|fente mobile bouge pas>
Intrication entre la fente et la particule
Une autre expérience de pensée
Schrödinger savait que des
particules individuelles pouvaient
être détectées, mais, disait-il,
c’était par des obervations
«!post mortem!», qui détruisaient
l’objet observé….
Chambre
à bulles
(CERN)
Particle detection at CERN
Einstein, Bohr et leur boîte à photon
… considérée comme irréalisable….
«Nous n’expérimentons jamais avec des
électrons, des atomes ou des molécules
isolés. Dans nos expériences de pensée,
nous supposons le faire. Cela conduit
toujours à des conséquences
ridicules» (Schrödinger 1952)
‘’Il n’est pas plus exact de dire que
nous expérimentons avec des
particules isolées que de prétendre
que nous pouvons élever des
dinosaures dans un zoo. En fait,
nous examinons toujours les traces
d’événements passés’’ (Schrödinger,
ibid)
Comment des expériences de pensée
controllant tout un ‘’zoo de particules’’
sont devenues réelles
De nouvelles technologies:
Lasers accordables
Ordinateurs rapides
Matériaux
supraconducteurs
Contrôle de particules dans un monde quantique
(physique «!in vivo!»)
Boulder
Paris
Interaction
MatièreLumière
Les deux faces d’une même médaille:
Trapped
manipulation
non
destructive
photons
Trapped ions:
(CQED):
et al,
d’atomes
uniques avec desMeekhof
photons
ou
Brune et al,
PRL, 76, 1796
PRL, 76, 1800
(1996). des atomes
(1996)de photons uniques avec
Cinq atomes (ions) de Berrylium ions dans le labo de David
Wineland (2000)…
… et quatorze atomes de Calcium dans le labo de Rainer Blatt’s
à Innsbruck (2012)
Des “bouliers” d’atomes pour de l’information quantique…
Jongler avec des photons dans une cavité
supraconductrice
L’ Electrodynamique en Cavité:
une scène idéale pour observer l’interaction entre lumière et
matière au niveau le plus fondamental Les meilleurs
!
Un atome interagit avec
un (ou quelques) photon(s)
dans une boîte
rebonds et une
trajectoire
repliée de
40.000km (la
circonférence
de la Terre)
pour la lumière!
horloge
Les photons réfléchis sur les
miroirs passent et repassent
Une suite d’atomes traverse la
sur l’ atome: la cavité exalte
cavité, se couple à son champ et
énormément le couplage
emporte l’ information sur la
lumière-matière
lumière piégée
miroirs du
cuivre
monde: plus
recouvert
de Niobium d’un milliard de
Photons piégés
pendant plus
d’un dixième
de seconde!
6 cm
L’atome de Bohr…cent ans après!
Rydberg
Atome sur orbite circulaire géante
(un dixième de micron de
diamètre)
Excitation
laser
Bohr
(1913)
Atome dans état
fondamental: électron sur
orbite de 10-10 m de
diamètre
Onde électronique délocalisée
e
(n=51)
g
(n=50)
Electron localisé sur son orbite
par une impulsion micro-onde
préparant une superposition de
deux états circulaires voisins: |
e> " |e> + |g>
Le paquet d’onde localisé tourne autour du noyau à
51 GHz comme une planète autour du soleil ou
comme l’aiguille d’une horloge sur son cadran
Une horloge atomique (interféromètre de
Ramsey) retardée par les photons piégés
Régler ici
dedans
!r"
photon
Un seul photon retarde l’horloge en remplaçant une frange brillante par une
frange sombre!
Naissance, vie et mort d’un photon!
e
g
1
0
0,0
0,5
1,0
temps (s)
1,5
2,0
2,5
Naissance, vie et mort d un photon!
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
e
g
Saut
quantique
e
g
1
Des centaines
d atomes voient le
même photon
(physique in vivo)
0
0,0
0,5
S.Gleyzes et al, Nature, 446, 297 (2007)
1,0
temps (s)
1,5
2,0
2,5
Chat de Schrödinger
Un état cohérent du champ de photons:
une onde représentée par un vecteur
(dont l’extremité est ‘’floue’’)
amplitude
phase
Incertitude
quantique
L’état quantique du champ est représentée par une distribution
à 2D (représentée ici en fausses couleurs)
J-M.Raimond
M.Brune
L.Davidovich
cohérence
quantique"
N.Zagury
Etat chat de
Schrödinger
décoherence
Mélange classique de
chat «!vivant!» et
«!mort!»
Comment un seul atome prépare un
chat de Schrödinger de lumière
1. Un atome est préparé
dans R1 dans une
superposition de e et g
R1
R2
2. L’atome déphase le
champ dans deux directions
opposées en traversant C:
la superposition crée une
intrication dans une
situation typique de chat
de Schrödinger
3. Les états atomiques sont mélangés dans R2, maintenant l’ambiguité du chat:
Détecter l’ atome dans e ou g projette le champ dans une
superposition à la «!chat de Schrödinger!»!
L’expérience utilise un interferomètre de Ramsey!
Reconstruction de l’état quantique d’un chat
de quelques photons
Ces pics
correspondent aux
deux états
«!chat vivant!» et
«!chat mort!»
Ces oscillations,
signal d’interférence,
décrivent la
«!cohérence
quantique!»
du chat.
D2= 8
photons
L’information permettant de
reconstruire l’état du champ
est fournie par des atomes
traversant la cavité après
la préparation du «!chat!»
Cinquante millisecondes dans la vie d’un
chat de Schrödinger
(un film de la decoherence,
transition du quantique au classique)
Exploiter les superpositions quantiques pour
calculer?!
Des ordinateurs «"chats de Schrödinger"»
qui calculeraient en parallèle,!
avec interférences de leurs sorties...!
Algorithmes quantiques beaucoup plus !
rapides qu’en info. classique (factorisation)!
Recherche expérimentale très active sur
des systèmes de quelques atomes et
photons, avec démonstrations
d"’opérations logiques élémentaires….!
La réalisation d"’ordinateurs quantiques macroscopiques se heurte au !
problème de la décohérence et reste largement utopique!
Le traitement quantique de l’information est un domaine très actif
sur le plan théorique et expérimental (description et exploitation de
la complexité quantique)!
Imprédictabilité de la recherche
fondamentale!
Laser
(1960)
Fibres
optiques ultratransparentes
(années 1970)
Internet
Transistors et
circuits intégrés
(1949 % 1990)
Les nouvelles technologies….
…ne peuvent jaillir que de la recherche fondamentale…
..qui a besoin de deux richesses sans prix:
Le temps & la confiance
La recherche réussit pleinement là où ces richesses existent!
Elle n’est pas vraiment favorisée par les lois du
marché global pour qui seuls comptent la vitesse et
les résultats rapidement acquis!
Un endroit où la recherche motivée par la
curiosité a prospéré au cours des cinquante
dernières années…
1966
Le laboratoire
Kastler Brossel de l’ ENS
Cohen-Tannoudji Kastler Haroche Brossel
1997
1966
2012
J-M.Raimond
M.Brune
10 Octobre 2012
!
I.Dotsenko
J-M.Raimond
M.Brune
S.Gleyzes
…et la suite d’une longue amitié…
David et
Sedna
Wineland