Observer les photons sans les détruire

Quantum 2010: Haroche

Serge Haroche (Photo credit: Giorgio Brida)

Les photons sont comme des coureurs de Marathon. Les particules de lumière parcourent l’espace pendant des milliers, voire des millions d’années depuis les étoiles. Puis les voilà qui percutent notre rétine et qui disparaissent. Pour donner naissance à un signal interpréter par notre cerveau. Une image. Le photon meurt alors en livrant son message. Pourtant ce sort n’est pas une fatalité. Les lois de la mécanique quantique autorisent en théorie une observation non destructrice des photons.  C’est une des choses qu’ont mis en pratique Serge Haroche et son équipe du laboratoire Kastler Brossel de l’Ecole normale supérieure.

Un photon piégé en cavité

  Il faut d’abord capturer un photon. Tache ardue car si le photon peut survivre presque éternellement quand il voyage à travers l’espace, dans une boîte il se cogne très rapidement aux parois dans lesquelles il est absorbé. Il faut donc le mettre entre deux miroirs contre lesquels il va rebondir : une cavité. L’équipe de Serge Haroche a utilisé pour cela du cuivre traité au niobium. Ce matériau est refroidi à environ -272 ° Celsius, c’est-à-dire 0,8 degré au-dessus du zéro absolu (brrr !). Dans ces conditions le niobium devient supraconducteur, ce qui signifie ici qu’il devient ultra-réfléchissant…aux micro-ondes.  Car un photon n’est pas forcément visible, c’est une particule du rayonnement électromagnétique qui va des ondes radio aux radiations nucléaires. Maintenant comment mettre un photon dans la cavité ? Deux solutions : soit on « branche » une source micro-onde (à peu près la même qui se trouve dans votre four) pendant un bref instant, et on obtient alors dans la cavité un petit champ électromagnétique contenant quelques photons. Soit on attend. Même à -272°C, la température est suffisante pour qu’un photon soit généré « thermiquement » de temps en temps au sein de la cavité. Le photon est ainsi « piégé ». Il peut rebondir environ 1,3 milliards de fois avant d’être absorbé par les miroirs. Cela ne lui prend que quelques millisecondes mais cela est suffisant pour qu’il parcoure une distance équivalente à la circonférence de la Terre ! Cela laisse également assez de temps aux expérimentateurs pour l’observer…

Des atomes pour témoigner

Seulement comment « voir » dans la cavité ? Si les chercheurs mettaient leurs yeux, ils ne verraient rien car il n’y a que très peu de photons, qui de plus sont à une longueur d’onde micro-onde donc  invisibles. Et surtout ils le détruiraient ! Même chose avec un autre appareil détecteur. Il faut donc agir indirectement. Les scientifiques vont alors utiliser des atomes de rubidium. Le rubidium est apprécié par les physiciens car on peut assez facilement le préparer dans un état d’énergie déterminé grâce à des faisceaux lasers. Les atomes sont ensuite envoyés un par un pour traverser la cavité perpendiculairement au trajet des photons. L’expérience est faite « hors résonance ». Cela veut dire que l’énergie des photons et l’énergie de transition des atomes sont légèrement décalées, ce qui rend impossible l’absorption d’un photon par un atome. Ainsi le nombre de photon n’est pas modifié par l’atome. Par contre l’interaction entre les photons et l’atome va subrepticement perturber ce dernier. L’atome va cependant poursuivre son chemin et être détecté  après la cavité. Par des mesures précises (et complexes) les chercheurs peuvent quantifier la perturbation subie par les atomes. Elle est proportionnelle au nombre de photons qui se trouvent dans la cavité.  Les atomes envoyés spéciaux ont fourni le message des photons sans les détruire.

Schéma simplifié du montage expérimental. Crédits : S. Gleyzes, …, M. Brune, J.-M. Raimond, S. Haroche, Nature 446, 297 (2007)

Mais…à quoi ça sert ?

L’équipe de Serge Haroche a réalisé bien d’autres expériences avec ce montage expérimental : des états intriqués, des états de type « chat de schrödinger » où l’atome se retrouve dans une superposition de deux états différents, étudier leur « décohérence » (c’est-à-dire essayer de comprendre pourquoi des trucs aussi bizarres n’existent pas à notre échelle), etc.  Bref, à la question « à quoi ça sert » il y a deux réponses possibles :

-celle du physicien : « parce que manipuler des systèmes quantiques individuels permet de réaliser les expériences de pensée que les pères de la mécanique quantique ne faisaient que dans leur tête. Et parce que cela permet de tester les principes fondamentaux de cette théorie ». On peut traduire plus simplement cette réponse par : « Parce que c’est trop kiffant quoi ! »

-celle politiquement (et journalistiquement) correcte : « parce que cela est une avancée vers l’ordinateur quantique, qui sera une machine surpuissante capable de réaliser des choses inédites ». On peut traduire cette réponse par : « Parce dans notre système capitaliste il faut bien vous vendre quelque chose afin d’avoir de l’argent pour mes recherches ».

Ces deux réponses sont légitimes et enthousiasmantes. L’ordinateur quantique est en effet une possibilité théorique. Beaucoup de progrès ont été fait dans ce sens et il mériterait un billet à lui tout seul.  En tous cas, selon le comité Nobel, Serge Haroche et David Wineland «  ont ouvert la voie a une nouvelle ère d’expérimentation de la physique quantique en faisant la démonstration de l’observation des particules quantiques individuelles sans les détruire».  Il ne faudrait pas oublier les générations de thésards et de post-doctorants qui se sont succédé dans ses équipes et qui travaillent dans l’ombre (l’expérience de Serge Haroche a débuté vers 1990).  Les marathoniens, ce sont aussi eux.

Pour en savoir plus, le site de l’équipe de Serge Haroche au laboratoire Kastler-Brossel: http://www.cqed.org

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