Ma vid\u00e9o du jour parle de la dualit\u00e9 onde-corpuscule, en \u00e9voquant notamment une exp\u00e9rience assez retors qui la pousse dans ses retranchements.<\/p>\n
<\/iframe><\/p>\n<p>Avant d’aller plus loin, une tr\u00e8s bonne source sur ce que j’ai racont\u00e9, c’est la th\u00e8se de Vincent Jacques <em><a href=\"https:\/\/tel.archives-ouvertes.fr\/tel-00281163\/document\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">Source de photons uniques et interf\u00e9rences \u00e0 un seul photon.De l\u2019exp\u00e9rience des fentes d\u2019Young au choix retard\u00e9<\/a>.\u00a0<\/em>Merci \u00e0 Vincent qui a d’ailleurs gentiment r\u00e9pondu \u00e0 certaines de mes questions techniques ! Autre r\u00e9f\u00e9rence incontournable, les conf\u00e9rences d’Alain Aspect, par exemple <a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=zaHLXhLIQ0k\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">celle-ci.<\/a>\u00a0Merci aussi \u00e0 Alain qui m’a souffl\u00e9 l’id\u00e9e de ce sujet !<\/p>\n<h3 data-pm-slice=\"1 1 []\" data-en-clipboard=\"true\">Les sources de photons uniques<\/h3>\n<p>Parlons d’abord des sources de photons unique, puisque c’est ce qui a rendu possible les exp\u00e9riences dont je parle. Comme j’y fais allusion dans la vid\u00e9o, les premi\u00e8res d\u00e9coulent entre autres des travaux d’Alain Aspect sur la source de lumi\u00e8re qu’il a utilis\u00e9e pour son exp\u00e9rience de violation des in\u00e9galit\u00e9s de Bell.<\/p>\n<p>Si vous avez vu ma vid\u00e9o sur le sujet, vous vous souvenez peut-\u00eatre que cette source \u00e9tait bas\u00e9e sur l’\u00e9mission successive de deux photons par un atome pr\u00e9alablement excit\u00e9 comme il faut.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-full wp-image-9126 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Energy-level-diagram-for-the-atomic-calcium-40-emitter-excited-by-periodic-subnanosecond_Q640.jpg\" alt=\"\" width=\"542\" height=\"542\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Energy-level-diagram-for-the-atomic-calcium-40-emitter-excited-by-periodic-subnanosecond_Q640.jpg 542w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Energy-level-diagram-for-the-atomic-calcium-40-emitter-excited-by-periodic-subnanosecond_Q640-300x300.jpg 300w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Energy-level-diagram-for-the-atomic-calcium-40-emitter-excited-by-periodic-subnanosecond_Q640-150x150.jpg 150w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Energy-level-diagram-for-the-atomic-calcium-40-emitter-excited-by-periodic-subnanosecond_Q640-370x370.jpg 370w\" data-sizes=\"(max-width: 542px) 100vw, 542px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 542px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 542\/542;\" \/><\/p>\n<p>Dans son exp\u00e9rience, Alain Aspect utilisait cette source pour avoir une paire intriqu\u00e9e. Mais l’autre utilisation possible, c’est de s’en servir comme une source de photons unique \u00ab\u00a0annonc\u00e9s\u00a0\u00bb. Puisque l’\u00e9mission du premier photon (vert) pr\u00e9c\u00e8de de quelques nanosecondes celle du second photon (violet), le photon vert \u00ab\u00a0annonce\u00a0\u00bb qu’un photon violet va bient\u00f4t sortir. Et on peut s’en servir comme d’un signal pour le laisser passer, et obtenir ainsi un photon unique.<\/p>\n<p>Pour faire cela, il fallait tout de m\u00eame exciter une quantit\u00e9 suffisante d’atomes pour avoir une \u00e9mission de photons \u00e0 un rythme ad\u00e9quat. Depuis on a mis au point d’autres techniques comme celle utilis\u00e9e par Vincent Jacques dans son travail. L’id\u00e9e consiste \u00e0 n’utiliser vraiment qu’un seul \u00ab\u00a0atome\u00a0\u00bb, et \u00e0 l’exciter sp\u00e9cifiquement pour qu’il \u00e9mette un photon unique.<\/p>\n<p>Mais comment on fait pour n’avoir qu’un seul atome ? Vous remarquez que j’ai mis \u00ab\u00a0atome\u00a0\u00bb entre guillemets. En fait on utilise un d\u00e9faut d’un cristal de diamant, qu’on appelle un d\u00e9faut NV (pour <em>nitrogen vacancy, <\/em>azote-lacune). L’id\u00e9e est en gros de chercher dans un cristal de diamant ultra-pur un endroit o\u00f9 un atome de carbone est remplac\u00e9 par un atome d’azote N (qui n’a que 3 liaisons contrairement au carbone qui en a 4), et \u00e0 c\u00f4t\u00e9 duquel un atome de carbone manque \u00e0 l’appel (une lacune V). \u00a0 (Merci Wikip\u00e9dia pour <a href=\"https:\/\/fr.wikipedia.org\/wiki\/Centre_azote-lacune#\/media\/Fichier:StructureNVcenter.jpg\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">l’image<\/a>)<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-full wp-image-9127 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/701px-StructureNVcenter.jpg\" alt=\"\" width=\"701\" height=\"768\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/701px-StructureNVcenter.jpg 701w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/701px-StructureNVcenter-274x300.jpg 274w\" data-sizes=\"(max-width: 701px) 100vw, 701px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 701px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 701\/768;\" \/><\/p>\n<p>La structure \u00e9lectronique d’un tel d\u00e9faut fait qu’il va se comporter en gros comme un \u00ab\u00a0atome artificiel\u00a0\u00bb, capable entre autres de photoluminescence.<\/p>\n<p>Si on trouve un tel d\u00e9faut, qu’on l’excite sp\u00e9cifiquement avec un microscope confocal, on se retrouve avec une source de photons uniques. (Je l’\u00e9cris comme si c’\u00e9tait simple \u00e0 faire, mais \u00e7a ne l’est pas !)<\/p>\n<h3>Les d\u00e9tecteurs<\/h3>\n<p>Je suis pass\u00e9 sans pr\u00e9ciser comment fonctionnent les d\u00e9tecteurs. On utilise classiquement des photomultiplicateurs, ou plus sp\u00e9cifiquement ici des <strong>photodiodes \u00e0 avalanche<\/strong>, qui convertissent les photons en signal \u00e9lectrique par effet photo\u00e9lectrique.<\/p>\n<p>Dans la vid\u00e9o, j’ai fait comme si tout cela \u00e9tait parfait et ne posait aucun probl\u00e8me. Mais les d\u00e9tecteurs ont toujours une certaine efficacit\u00e9, un bruit r\u00e9siduel, etc. Mais on s’arrange \u00e9videmment pour que les conditions exp\u00e9rimentales et les dur\u00e9es des exp\u00e9riences permettent de r\u00e9duire cela.<\/p>\n<h3>Le d\u00e9phasage deuxi\u00e8me d\u00e9tecteur<\/h3>\n<p>Un petit mot sur le fait que le deuxi\u00e8me d\u00e9tecteur capte un signal oppos\u00e9 \u00e0 celui du premier dans l’interf\u00e9rom\u00e8tre de Mach-Zehnder. A la fois je ne voulais pas le passer sous silence, \u00e0 la fois je ne voulais pas me lancer dans une explication.<\/p>\n<p>A premi\u00e8re vue, on peut se demander pourquoi le r\u00e9sultat ne serait pas exactement le m\u00eame que le premier d\u00e9tecteur. Apr\u00e8s tout le chemin est exactement de m\u00eame longueur, non ?<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-full wp-image-9128 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Mach_Zehnder-16.png\" alt=\"\" width=\"1920\" height=\"1080\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Mach_Zehnder-16.png 1920w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Mach_Zehnder-16-300x169.png 300w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Mach_Zehnder-16-1024x576.png 1024w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Mach_Zehnder-16-1536x864.png 1536w\" data-sizes=\"(max-width: 1920px) 100vw, 1920px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 1920px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 1920\/1080;\" \/><span style=\"font-size: 19px;\">Eh bien d\u00e9j\u00e0 si on regarde en d\u00e9tail, on voit que \u00e7a n’est pas exactement le cas. Sur le deuxi\u00e8me d\u00e9tecteur, le chemin bleu aura subi 2 r\u00e9flexions sur les lames (et 0 travers\u00e9es) tandis que le chemin rouge aura subi 2 travers\u00e9es (et 0 r\u00e9flexions). Ca n’est pas exactement la m\u00eame chose ! Si on regarde le truc correctement, en prenant bien en compte le positionnement des couches sur les lames de verre, et les d\u00e9phasages induits par les r\u00e9flexions, on trouve que le signal sur le deuxi\u00e8me d\u00e9tecteur sera d\u00e9phas\u00e9 par rapport au premier. (<a href=\"https:\/\/fr.wikipedia.org\/wiki\/Interf\u00e9rom\u00e8tre_de_Mach-Zehnder#Fonctionnement_normal_d\u00e9taill\u00e9\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">Le paragraphe d\u00e9di\u00e9<\/a> sur Wikip\u00e9dia explique \u00e7a bien).<\/span><\/p>\n<h3>Anti-corr\u00e9lation<\/h3>\n<p>Revenons un peu sur le cas des sources de photons uniques, et la comparaison \u2014 que j’ai bri\u00e8vement mentionn\u00e9e \u2014 avec ce que serait une onde tr\u00e8s faible.<\/p>\n<p>Un moyen d’obtenir une onde tr\u00e8s faible, et <em>a priori<\/em> des photons uniques, c’est d’utiliser une source tr\u00e8s att\u00e9nu\u00e9e, par exemple un laser. Si je prends un laser et que je mets \u00e0 sa sortie une couche suffisante de mat\u00e9riau absorbant (disons du verre teint\u00e9), je vais att\u00e9nuer l’intensit\u00e9 lumineuse de sorte que la puissance \u00e9mise puisse ne correspondre par exemple qu’\u00e0 en moyenne un photon par seconde. Et pourtant <strong>cela ne suffit pas \u00e0 cr\u00e9er une \u00ab\u00a0vraie\u00a0\u00bb source de photons uniques<\/strong>. Avec une source de ce genre, dans le montage \u00e0 une seule lame et deux d\u00e9tecteurs, on obtiendra toujours de temps en temps des co\u00efncidences sur les deux d\u00e9tecteurs.<\/p>\n<p>Il existe un crit\u00e8re quantitatif pour formaliser cela, le facteur d’anticorr\u00e9lation. En gros on compte la probabilit\u00e9 de d\u00e9tection P1 et P2 sur chaque d\u00e9tecteur, et la probabilit\u00e9 Pc de coincidence. On peut alors calculer le ratio<\/p>\n<div><\/div>\n<div style=\"text-align: center;\">\\(A = \\frac{P_c}{P_1 \\times P_2}\\)<\/div>\n<div><\/div>\n<div>Pour une source laser, m\u00eame tr\u00e8s att\u00e9nu\u00e9e, ce ratio vaudra 1. On peut s’en convaincre facilement en le regardant comme un processus d’\u00e9mission de photons par un processus de Poisson. Alors que pour la source de photons unique, il vaut en th\u00e9orie \\(A = 0\\) (en pratique il y a du bruit mais il est clairement inf\u00e9rieur \u00e0 1).<\/div>\n<div><\/div>\n<div>Le souci c’est que si \\(A=1\\), on peut toujours trouver une interpr\u00e9tation purement ondulatoire qui explique les r\u00e9sultats de l’exp\u00e9rience (c’est vrai aussi pour l’effet photo\u00e9lectrique d’ailleurs, Vincent Jacques en parle dans sa th\u00e8se). Pour avoir la certitude d’\u00e9vacuer toute explication ondulatoire, il faut \\(A < 1\\).<\/div>\n<h3>In\u00e9galit\u00e9 de compl\u00e9mentarit\u00e9<\/h3>\n<p>Ma derni\u00e8re pr\u00e9cision est pour un truc un peu technique mais passionnant. J’ai pr\u00e9sent\u00e9 les choses comme si le comportement \u00e9tait \u00ab\u00a0tout particule\u00a0\u00bb ou \u00ab\u00a0tout onde\u00a0\u00bb suivant l’exp\u00e9rience qu’on fait. En fait on peut imaginer des interm\u00e9diaires pour essayer de truander et d’avoir \u00e0 la fois des interf\u00e9rences tout en ayant une information sur le chemin emprunt\u00e9 par la particule.<\/p>\n<p>Eh bien toutes ces tentatives sont un \u00e9chec. De fa\u00e7on g\u00e9n\u00e9rale, il existe une in\u00e9galit\u00e9 dite de compl\u00e9mentarit\u00e9, qui s’\u00e9crit<\/p>\n<p style=\"text-align: center;\">\\(C^2 + I^2 \\leq 1\\)<\/p>\n<p>o\u00f9 C est le contraste des franges d’interf\u00e9rences, et I un param\u00e8tre de connaissance du chemin suivi. Et cette in\u00e9galit\u00e9 nous dit que si on acquiert de l’information sur le chemin suivi, on perd progressivement les interf\u00e9rences (dont le contraste se r\u00e9duit) et r\u00e9ciproquement.<\/p>\n<p>Vincent Jacques explique dans sa th\u00e8se comment il a r\u00e9alis\u00e9 une exp\u00e9rience permettant de moduler entre les configurations ouvertes et ferm\u00e9e, et montrer que l’in\u00e9galit\u00e9 \u00e9tait toujours parfaitement v\u00e9rifi\u00e9e !<\/p>\n<div><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-large wp-image-9129 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Capture-decran-2021-01-15-a-08.18.03-1024x340.png\" alt=\"\" width=\"770\" height=\"256\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Capture-decran-2021-01-15-a-08.18.03-1024x340.png 1024w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Capture-decran-2021-01-15-a-08.18.03-300x100.png 300w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/Capture-decran-2021-01-15-a-08.18.03.png 1338w\" data-sizes=\"(max-width: 770px) 100vw, 770px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 770px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 770\/256;\" \/><\/div>\n<div><\/div>\n<div><\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Ma vid\u00e9o du jour parle de la dualit\u00e9 onde-corpuscule, en \u00e9voquant notamment une exp\u00e9rience assez retors qui la pousse dans ses retranchements. Avant d’aller plus loin, une tr\u00e8s bonne source sur ce que j’ai racont\u00e9, c’est la th\u00e8se de Vincent Jacques Source de photons uniques et interf\u00e9rences \u00e0 un seul photon.De l\u2019exp\u00e9rience des fentes d\u2019Young<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":9125,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"jetpack_post_was_ever_published":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[42],"class_list":{"0":"post-9124","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-physique","8":"tag-mecanique-quantique"},"jetpack_featured_media_url":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2021\/01\/vignette.png","jetpack_sharing_enabled":true,"post_mailing_queue_ids":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/9124","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=9124"}],"version-history":[{"count":3,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/9124\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":9190,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/9124\/revisions\/9190"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media\/9125"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=9124"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=9124"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=9124"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}