Puissance et étrangeté du quantique Serge Haroche Collège de France et Ecole Normale Supérieure (Paris)

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1 Puissance et étrangeté du quantique Serge Haroche Collège de France et Ecole Normale Supérieure (Paris) 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 cosmologie

3 La comprehension du monde des atomes nous a conduit aux technologies modernes Transistor et ordinateur Lasers

4 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 «!Explication!» classique Analogie avec une autre courbe en cloche: la distribution des vitesses (et des énergies cinétiques) des molécules dans un gaz Planck Puissance d une analogie: Einstein en 1905, explicitant Planck, comprend que le mystère s éclaircit si on admet que la lumière, comme un gaz, est constitué d un ensemble de particules et il ouvre une boîte de Pandore en nous conduisant dans un monde étrange ou règne le principe de superposition des états

5 Les premières théories des quanta nous ont conduit pas à pas dans un monde étrange 1905 La lumière est quantifiée tout comme les orbites électroniques des atomes. Le dualisme ondeparticule introduisit 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

6 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 ou l autre et comment apparaissent ils comme des points s ils sont des ondes? 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> Même dilemme pour la matière: les électrons, atomes..molécules sont des ondes et des particules (de Broglie, 1923) et le principe de superposition s applique à eux aussi: («!chat de Schrödinger!» suspendu entre deux réalités)

7 R. Werner Une expérience avec des photons, des électrons ou des atomes Une physique statistique dans laquelle les particules se comportent comme des ondes!

8 R. Werner Prédiction de la théorie quantique: L équation d onde! intensité Une onde de probabilité interférence

9 Qu a fait la particule entre sa préparation et sa détection? R. Werner Par quel trou est-elle passée?

10 R. Werner Distribution des particules passées par la fente du haut

11 R. Werner Distribution des particules passées par la fente du bas

12 R. Werner L essai de suivre le chemin de la particule... modifie le montage expérimental (et donc ce qui se passe) somme interférence détruite

13 R. Werner Particule perturbée par les photons Peut-on regarder plus subtilement? Même voir à travers un microscope influence la particule Mieux on cherche à localiser la particule, plus on change le système et on détruit les interférences... Complémentarité (Bohr)!

14 L étrange logique quantique: les probabilités interfèrent! ! ! 0 Physique probabiliste avec des probabilités 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 d un atome par deux impulsions lumineuses successives ! 2 Pour certains délais entre les impulsions, l atome est porté dans l état supérieur ! 0 Pour d autres délais, l atome est ramené à l état inférieur

15 L interférometre de Ramsey mélange les niveaux atomiques deux fois et enregistre des franges lorsque la fréquence des impulsions est variée e g! r " La source microonde asservie aux fines franges atomiques réalise un standard de temps: une horloge atomique

16 Horloge d autant plus précise que les impulsions sont plus séparées: avantage des atomes lents, refroidis par laser Horloge fontaine atomique Précision de 100 picosecondes par jour (1 seconde en 30 Millions d années!) franges de Ramsey d une horloge fontaine [Hz]

17 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!

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

19 Le chat de Schrödinger Etrangeté des superpositions exportées dans le monde macroscopique Intrication quantique (non séparabilité)

20 La mesure donne un résultat aléatoire.. Ici ou là?..et détruit la superposition (particule en x ou y, plus en x et y) Dieu joue aux dés

21 Décoherence Environnement ou L environnement «!mesure!» le système et détruit la cohérence quantique responsable des interférences

22 Une expérience de pensée pour tester la complémentarité onde-particule Fente mobile Discussion Einstein- Bohr en 1927 déjà un chat de Schrödinger! Einstein: le transfert d impulsion p à la fente mobile détermine le chemin Bohr: il faut définir l impulsion initiale de la fente avec un très petit!p. Donc, $x doit être grand d après la relation d incertitude de Heisenberg $x.$p > h. Si $x est grand, les franges sont brouillées à cause de l incertitude sur la différence de marche entre les deux chemins. photon/ fente du haut> fente mobile bouge> + photon/ fente du bas> fente mobile bouge pas> Intrication entre la fente et la particule

23 Une autre expérience de pensée Schrödinger savait que des particules individuelles pouvaient être détectées, mais, disait-il, c était par des obervations «!post mortem!», qui détruisaient l objet observé. Chambre à bulles (CERN) Einstein, Bohr et leur boîte à photon considérée comme irréalisable. «Nous n expérimentons jamais avec des électrons, des atomes ou des molécules isolés. Dans nos expériences de pensée, nous supposons le faire. Cela conduit toujours à des conséquences ridicules» (Schrödinger 1952) Particle detection at CERN Il n est pas plus exact de dire que nous expérimentons avec des particules isolées que de prétendre que nous pouvons élever des dinosaures dans un zoo. En fait, nous examinons toujours les traces d événements passés (Schrödinger, ibid)

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

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

26 Cinq atomes (ions) de Berrylium ions dans le labo de David Wineland (2000) et quatorze atomes de Calcium dans le labo de Rainer Blatt s à Innsbruck (2012) Des bouliers d atomes pour de l information quantique

27 Jongler avec des photons dans une cavité supraconductrice

28 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 horloge Les photons réfléchis sur les miroirs passent et repassent Une suite d atomes traverse la sur l atome: la cavité exalte cavité, se couple à son champ et énormément le couplage emporte l information sur la lumière-matière 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!

29 L atome de Bohr cent ans après! Rydberg Atome sur orbite circulaire géante (un dixième de micron de diamètre) Bohr (1913) Excitation laser Atome dans état fondamental: électron sur orbite de m de diamètre Onde électronique délocalisée Electron localisé sur son orbite par une impulsion micro-onde préparant une superposition de deux états circulaires voisins: e> " e> + g> e (n=51) g (n=50) Le paquet d onde localisé tourne autour du noyau à 51 GHz comme une planète autour du soleil ou comme l aiguille d une horloge sur son cadran

30 Une horloge atomique (interféromètre de Ramsey) retardée par les photons piégés dedans Régler ici! r " photon Un seul photon retarde l horloge en remplaçant une frange brillante par une frange sombre!

31 Naissance, vie et mort d un photon! e g 1 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 temps (s)

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

33 Chat de Schrödinger

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

35 M.Brune J-M.Raimond L.Davidovich cohérence quantique" N.Zagury Etat chat de Schrödinger décoherence Mélange classique de chat «!vivant!» et «!mort!»

36 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!»! L expérience utilise un interferomètre de Ramsey!

37 Reconstruction de l état quantique d un chat de quelques photons Ces pics correspondent aux deux états «!chat vivant!» et «!chat mort!» 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!»

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

39 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)!

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

41 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!

42 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

43 J-M.Raimond M.Brune

44 10 Octobre 2012 I.Dotsenko! S.Gleyzes J-M.Raimond M.Brune

45 et la suite d une longue amitié David et Sedna Wineland