Quand lumière et atomes partagent une même vibration

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Des scientifiques de l’EPFL, du MIT et du CEA Saclay démontrent un état de vibration qui existe simultanément à deux moments différents. Ils apportent la preuve de cette superposition quantique en mesurant l’intrication quantique entre des faisceaux lumineux qui interagissent avec la vibration.

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 foisicietlà, ou à la foisaujourd’huietdemain.

Ces superpositions sont difficiles à créer car elles sont détruites si quelque information sur le lieu ou le moment de l’événement fuite dans l’environnement - et même si personne n’enregistre réellement cette information. Mais lorsque des états de superpositions se produisent vraiment, ils conduisent à des observations qui sont très différentes de celles de la physique classique, ce qui peut parfois remettre en question notre perception de l’espace et du temps.

Des scientifiques de l’EPFL, du MIT et du CEA Saclay, publiant dans Science Advances, démontrent un état de vibration qui existe simultanément à deux moments différents, et apportent la preuve de cette superposition quantique en mesurant la forme la plus forte de corrélations quantiques entre des faisceaux lumineux qui interagissent avec la vibration.

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

Toutefois, cette description classique de l’expérience est incompatible avec les résultats obtenus. Au lieu de cela, la lumière et la vibration doivent être décrites comme des particules, appelés quanta : l’énergie lumineuse est quantifiée en photons discrets tandis que l’énergie vibratoire est quantifiée en phonons discrets (nommés d’après le grec ancien « photo = lumière » et « phono = son »).

Le processus décrit ci-dessus doit donc être considéré comme la fission d’un photon 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 de Schrödinger à la fois mort et vivant.

Encore plus contre-intuitif : deux particules peuvent devenir intriquées (ou enchevêtrées), perdant leur individualité. La seule information qui peut être recueillie à leur sujet concerne 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. Cela peut être démontré en réalisant des mesures adaptées sur les deux particules. Si les résultats enfreignent une limite classique, on peut être certain qu’elles étaient intriquées.

Dans la nouvelle étude, des chercheurs de l’EPFL ont réussi à intriquer le photon et le phonon (à savoir, la lumière et la vibration) produits lors de la fission d’un photon laser entrant dans le cristal. Pour ce faire, les scientifiques ont élaboré une expérience dans laquelle la paire photon-phonon pouvait être créée à deux instants différents. Classiquement, cela entraînerait une situation dans laquelle la paire est créée à un instant t1 avec une probabilité de 50 %, ou à un instant t2 ultérieur avec une probabilité de 50 %.

Mais c’est là que les chercheurs ont recours à une astuce pour générer un état intriqué. Par un arrangement précis de l’expérience, ils ont veillé à supprimer toute trace dans l’univers de l’instant de création de la paire lumière-vibration (t1 et t2). Autrement dit, ils ont effacé les informations sur t1 et t2. La mécanique quantique prédit alors que la paire phonon-photon devient intriquée, et existe dans une superposition de temps t1ett2. Cette prédiction a été magnifiquement confirmée par les mesures, qui ont produit des résultats incompatibles avec la théorie probabiliste classique.

En montrant une intrication quantique entre la lumière et la vibration dans un cristal qu’on pourrait tenir entre ses doigts pendant l’expérience, la nouvelle étude fait le lien entre notre expérience quotidienne et le monde fascinant de la mécanique quantique.

« Les technologies quantiques sont annoncées comme la prochaine révolution technologique en matière d’informatique, de communication et de détection », déclare Christophe Galland, responsable du Laboratoire de nano-optique quantique à l’EPFL et l’un des principaux auteurs de l’étude. « Elles sont actuellement développées par les meilleures universités et de grandes entreprises dans le monde entier, mais le défi est de taille. Ces technologies reposent sur des effets quantiques très fragiles survivant uniquement à des températures extrêmement froides ou sous vide poussé. Notre étude démontre que même un matériau commun à des conditions ambiantes peut maintenir les propriétés quantiques délicates requises pour les technologies quantiques. Il y a un prix à payer cependant : les corrélations quantiques maintenues par des vibrations atomiques dans le cristal sont perdues après seulement 4 picosecondes - soit 0,000 000 000 004 seconde ! Cette courte échelle de temps est aussi une opportunité pour développer des technologies quantiques ultrarapides. Mais les recherches sont loin d’être terminées pour transformer notre expérience en un dispositif utile - une tâche que relèveront les futurs ingénieurs quantiques. »

Christophe Galland, Nik Papageorgiou