Etrangeté et paradoxe du monde quantique

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1 Etrangeté et paradoxe du monde quantique Serge Haroche 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

2 atomes Bohr 1913 Molécules et chimie solides La physique quantique: une théorie de «!tout!» cosmologie

3 La Physique à la fin du 19ème siècle Lois de la mécanique classique, astronomie Newton Ondes électromagnétique et lumière Maxwell Thermodynamique statistique et théorie cinétique des gaz Boltzmann

4 Deux expériences posent des questions sur la lumière qui mènent à une révolution et à une ouverture sur le monde microscopique: Pourquoi une courbe en cloche de la distribution spectrale du rayonnement des corps chauffés? Planck Pourquoi des raies discrètes dans le spectre de la lumière émise ou absorbée par la matière? Spectres atomiques discrets Rydberg

5 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 Planck «!Explication!» classique Puissance d une analogie: Einstein comprend que le mystère s éclaircit si on admet que la lumière, comme un gaz, est faite d un ensemble de particules d énergie E=h! (h: constante de Planck) et il ouvre une boîte de Pandore conduisant dans un monde étrange ou règne le principe de superposition des états

6 Bohr Les niveaux d énergie d un atome et la résonance optique Un atome d hydrogène est constitué d un noyau chargé + autour duquel tourne un électron chargé - Seules certaines orbites, correspondant à des énergies discrètes E 1, E 2, sont autorisées E 2 E 1 L électron saute d une orbite à l autre en émettant ou absorbant un photon de fréquence! telle que E 2 -E 1 =h! Le modèle de Bohr (1913) explique quantitativement les spectres atomiques et introduit le concept de saut quantique en physique La même constante h intervient dans les théories d Einstein et de Bohr

7 Les premières théories des quanta nous ont conduit pas à pas dans un monde étrange 1905 La lumière est quantifiée Levée progressive du grand voile tout comme les orbites électroniques des atomes. Le dualisme ondeparticule introduit le principe de superposition en physique, mettant à mal les idées classiques sur le déterminisme et la réalité physique 1913 suggérant que les électrons sont aussi des ondes.. Théorie quantique: Heisenberg, Schrödinger, Dirac (1926) 1923

8 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? 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> La compémentarité (Bohr): particules et ondes sont les deux aspects d une même physique: celui qui est observé dépend du montage expérimental utilisé!

9 Les probabilités quantiques résultent d un processus d interférence! ! ! 0 Dans les fentes d Young, physique probabiliste avec des amplitudes de probabilité 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 à 50% d un atome par deux impulsions electromagnétiques successives ! 1 Pour certaines fréquences des impulsions, l atome est porté dans l état supérieur ! 0 Pour d autres fréquences, l atome est ramené à l état inférieur

10 Horloge atomique à CS Atomes à deux niveaux (spins) excités à 50% deux fois de suite: la probabilité de transition d un niveau à l autre présente des franges lorsque la fréquence des impulsions est balayée. En asservissant la microonde à la frange centrale, on obtient un oscillateur ultra-stable Précision courante de (une nanoseconde par jour!)

11 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 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) 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!

12 Physique quantique et superposition d états x y Superposition d états de positions ">= X> + Y> ou d états électroniques d énergies différentes +

13 La mesure détruit la superposition (la particule s effondre ici ou là) de façon aléatoire «!Dieu joue aux dés!» (Einstein n aimait pas ça!)

14 Expériences de pensée Onde ou particule?

15 Une expérience de pensée pour tester la complémentarité onde-particule Einstein et Bohr au congrès Solvay de 1927 Einstein: Pour trouver le chemin, détecter le transfert d impulsion à la fente mobile Bohr: Il faut alors définir l impulsion initiale de la fente avec un "p très petit. Donc #x doit être grand, d après la relation d incertitude de Heisenberg #x.#p > h. Et si #x est grand, les franges sont brouillées car la différence de chemins est incertaine., Le concept d intrication: photon/ fente du haut> fente mobile bouge> + photon/ fente du bas> fente mobile bouge pas> Cela ressemble à un Chat de Schrödinger

16 Chat de Schrödinger et intrication: Un grand système couplé à une particule quantique unique finit dans un étrange état superposé Atome en superposition 1935 Pour des systèmes en interaction, le principe de superposition conduit à l intrication quantique qui, pour de gros systèmes, pose la question de la frontière classiquequantique.

17 Décoherence Environnement ou L environnement réalise une sorte de mesure qui détruit la superposition d états dans les grands systèmes.

18 Ce que les fondateurs de la théorie pensaient des expériences de pensée «!We never experiment with single electrons, atoms or small molecules In thought experiments we assume that we do. It always results in ridiculous consequences!»!(schrödinger, British Journal for the Philosophy of Sciences, 3, ) Schrödinger savait que des particules isolées pouvaient être détectées, mais il pensait que cela menait toujours à leur destruction (expériences «!post mortem!») Chambre à bulles (CERN) It is fair to state that we are not experimenting with single particles, any more than we can raise Ichthyosauria in the zoo. We are scrutinising records of events long after they have happened. (Schrödinger, ibid)

19 Comment des expériences de pensée controllant tout un zoo de particules sont devenues réelles De nouvelles technologies: Lasers accordables Ordinateurs rapides Matériaux supraconducteurs

20 Contrôle de particules dans un monde quantique (physique «!in vivo!») Boulder Paris Interaction Matière- Lumière Trapped photons (CQED): Brune et al, PRL, 76, 1800 (1996) Les deux faces d une même médaille: manipulation non destructive Trapped ions: d atomes uniques avec des photons ou Meekhof et al, PRL, 76, 1796 (1996). de photons uniques avec des atomes

21 Cinq ions Berrylium dans le labo de David Wineland (2000) et 14 puis 30 ions Calcium dans le labo de R. Blatt à Innsbruck ( ) Si chaque ion a 2 niveaux: 2 30 états! Un boulier atomique pour pratiquer de l information quantique

22 Jongler avec des photons dans une cavité supraconductrice (ENS-Collège de France)

23 L Electrodynamique en Cavité: une scène idéale pour observer l interaction entre lumière et matière au niveau le plus fondamental Un atome interagit avec un (ou quelques) photon(s) dans une boîte Une suite d atomes traverse la cavité, se couple à son champ et emporte l information sur la lumière piégée cuivre recouvert de Niobium 6 cm Les meilleurs miroirs du monde: plus d un milliard de rebonds et une trajectoire repliée de km (la circonférence de la Terre) pour la lumière! Photons piégés pendant plus d un dixième de seconde!

24 Bohr (1913) L atome de Rydberg-Bohr est une horloge atomique Atome dans état de Rydberg circulaire: électron sur cercle géant (diamètre de 0,1 micron) Onde électronique délocalisée e (n=51) Atome dans état fondamental: électron sur orbite de m de diamètre Electron localisé sur orbite par impulsion microonde préparant une superposition d états de Rydberg: e> # e> + g> g (n=50) Le paquet d onde tourne autour du noyau à 51 GHz comme une planète autour du soleil ou comme l aiguille d une horloge sur son cadran Preparation with lasers and circularly polarized rf

25 Effet de la lumière sur l horloge: Lorsque un atome non-résonnant interagit avec la lumière, ses énergies sont déplacées par le light shift Cohen-Tannoudji (1961) L atome subit un light-shift proportionnel au nombre de photons N, avec des signes opposés pour e et g e g!e N Déphasage du dipôle atomique;!"(n) = 2! $!E N dt = N# 0 % 0 : déphasage par photon peut atteindre & 0 photon 1 photon En mesurant #$ on compte les photons sans les détruire!

26 N.Ramsey L horloge Rydberg Impulsions classiques (Interféromètre de Ramsey) Analogie avec Young Accord ici Préparation des états circulaires 0 photon 1 photon! r Atome de Rydberg Cavité de grand Q e ou g? 1 ou 0? Une horloge retardée par les photons piégés

27 Naissance, vie et mort d un photon S.Gleyzes et al, Nature, 446, 297 (2007) e g 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 Saut quantique e g 1 0 Des centaines d atomes voient le photon! 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 time (s)

28 Explorer la nature ondulatoire de la lumière piégée et réaliser des chats de Schrödinger

29 Un état cohérent du champ de photons: une onde représentée par un vecteur (dont l extremité est floue ) phase amplitude Incertitude quantique Plan de Fresnel L état quantique du champ est représentée par une distribution à 2D (représentée ici en fausses couleurs)

30 Comment un seul atome prépare un chat de Schrödinger de lumière 1. Un atome est préparé dans R 1 dans une superposition de e et g R 1 R 2 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 R 2, maintenant l ambiguité du chat: Détecter l atome dans e ou g projette le champ dans une superposition à la «!chat de Schrödinger!»!

31 Reconstruction de l état quantique d un chat de quelques photons (fonction de Wigner) Ces pics correspondent aux deux états «!chat vivant!» et «!chat mort!» R I P D 2 = 8 photons Ces oscillations, signal d interférence, décrivent la «!cohérence quantique!» du chat. L information permettant de reconstruire l état du champ est fournie par des atomes traversant la cavité après la préparation du «!chat!»

32 Cinquante millisecondes dans la vie d un chat de Schrödinger (un film de la decoherence, transition du quantique au classique)

33 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)

34 Imprédictabilité de la recherche Laser (1960) fondamentale Fibres optiques ultratransparentes (années 1970) Internet Transistors et circuits intégrés (1949 ' 1990)

35 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!

36 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

37 10 Octobre 2012 I.Dotsenko S.Gleyzes J-M.Raimond M.Brune

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