Physique quantique : une découverte des chercheurs niçois de l'UNS

Une publication prestigieuse dans la revue "Science" pour l'Université de Nice Sophia. Les physiciens du laboratoire de Physique de la Matière Condensée – LPMC (CNRS/UNS), du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques – MPQ (CNRS/Univ. Paris Diderot) et de l’institut des Sciences Moléculaires d’Orsay – ISMO (CNRS/Univ. Paris Sud) ont publié ainsi dans cette revue anglophone qui fait référence, leur travail autour des propriétés des photons. Dans ce domaine de la physique quantique, l'équipe de l'UNS a fait une belle découverte. Elle a en effet réussi à démontrer pour la première fois, la transition entre les aspects ondulatoire et corpusculaire d'un photon.

Cette découverte met un "point final" au débat d'experts engagé depuis plusieurs dizaines d'années autour du comportement des photons qui pouvaient être considérés comme des ondes ou comme des particules. Elle ouvre aussi de nouvelles pistes dans la sécurisation des communications par un cryptage réputé inviolable, via la cryptologie quantique.

Les propriétés spécifiques des photons

Dans une approche naïve, expliquent les chercheurs, on présente souvent un objet quantique comme étant selon le cas, soit une particule, spatialement localisée et incapable d’interférer, soit une onde, non localisée et susceptible de présenter des interférences. Une expérience récente montre sans ambiguïté qu’il est nécessaire de renoncer à cette vision simpliste : le comportement d’un objet quantique tel le photon n’est pas réductible à une description binaire exclusive en termes classiques d’onde ou de particules. Les chercheurs niçois ont ainsi observé des photons dans des états ou les aspects ondulatoires et corpusculaires sont superposés dans des proportions contrôlables. Cette propriété est en outre mise en évidence dans une expérience à "choix retardé".

Les expériences type concernant la dualité onde/corpuscule sont réalisées en envoyant un objet quantique tel un photon unique dans un interféromètre. Le photon rencontre une première lame séparatrice. Si l’on place un détecteur devant chacune des deux sorties de cette lame, on détecte le photon, soit d’un côté, soit de l’autre avec une probabilité de 50% pour chacune des possibilités. Si, au contraire, on recombine les deux voies à l'aide d'une seconde lame séparatrice pour former un interféromètre, on observe des interférences en sortie du dispositif, signes d'un comportement ondulatoire.

L’astuce des physiciens a été d’une part de réaliser un interféromètre ouvert pour l’une des polarisations du photon et fermé pour l’autre et, d’autre part, d’effectuer l’expérience avec des photons jumeaux intriqués, c’est-à-dire présentant des corrélations quantiques non séparables. Tandis que l’un des photons, le photon "test", était envoyé dans le dispositif, le second, que nous dénoterons par la suite "jumeau", était envoyé dans une fibre optique permettant d’une part de le conduire dans une pièce distante de 20 mètres (pour éviter toute interférence causale) et d’autre part de le retarder afin d’assurer un délai de 20 nanosecondes sur sa détection et donc la possibilité d’un choix de base de détection postérieur à la détection du premier photon (dans le référentiel du laboratoire).

Un objet quantique irréductible

La post-sélection d’événements correspondant à une polarisation donnée du jumeau a alors permis aux auteurs de considérer des évènements pour lesquels le premier photon était détecté par un interféromètre ouvert (détection de type particule), fermé (détection de type onde) ou par une combinaison linéaire de ces deux comportements. Dans ce dernier cas, le photon test se trouve dans une superposition quantique d’un état de type "onde" et d’un état de type "particule" et ceci dans des proportions contrôlables. Les mesures, conformes aux prédictions de la théorie quantique, montrent qu’il est nécessaire de renoncer à une dualité naïve. Un photon n’est pas soit une onde, soit une particule, mais un objet quantique irréductible.