Les Frontières du Monde quantique

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1 Les Frontières du Monde quantique J.M. Raimond Université Pierre et Marie Curie Institut Universitaire de France Laboratoire Kastler Brossel Département de Physique Ecole Normale Supérieure IUF, Lille, Mars

2 Le XX ème siècle fut celui de la mécanique quantique L exploration du monde microscopique a été la grande aventure scientifique du siècle dernier. La théorie quantique nous a donné les clés de la compréhension de ce monde La théorie physique avec le plus vaste champ d applications (des constituants élémentaires de la matière à la structure du cosmos) La théorie physique la plus précise et la mieux vérifiée Et cependant une description du monde microscopique contraire à l intuition et au «bon sens»: Les portes sont ouvertes ET fermées Les chats sont morts ET vivants la mécanique quantique continue à nous surprendre après près d un siècle IUF, Lille, Mars

3 Superpositions quantiques État quantique Notation de Dirac (ket) Contient toute l'information sur le système Une particule localisée en x x Une particule localisée en y y La mécanique quantique est une théorie linéaire. Toute somme d'états possibles est aussi un état possible est un état possible de la particule 1» Une particule dans deux endroits à la fois??? 2 x y» Commode, mais choquant. Fonction d onde Superposition d une infinité de positions Une fonction qui décrit où il est le plus probable de trouver la particule IUF, Lille, Mars

4 Interférences quantiques Interférences d Young Photons, mais aussi atomes, molécules Modulations de la fonction d onde sur l écran: Une manifestation directe du principe de superposition quantique IUF, Lille, Mars

5 Superpositions, jusqu où? Le «chat de Schrödinger» Pas de superpositions quantiques à notre échelle. Nous n observons qu une infime partie des états quantiques possibles. Pourquoi? IUF, Lille, Mars

6 Décohérence Couplage à l environnement 1 2 Environment Un objet macroscopique (chat) est couplé à son environnement. Cet environnement "l'observe" en permanence. Les superpositions quantiques macroscopiques sont très rapidement détruites par ce couplage Temps d autant plus court que les états superposés sont plus différents Ridiculement court pour un objet macroscopique Jamais de superpositions quantiques macroscopiques IUF, Lille, Mars

7 Décohérence et mesure Une étape essentielle dans la mesure quantique Si les appareils de mesure étaient quantiques Évolution dans une superposition de toutes les indications possibles Interférences entre les résultas de mesure Appareil nécessairement macroscopique Le couplage de l appareil à l environnement transforme la superposition quantique en une simple alternative probabiliste Une frontière presque infranchissable qui isole le monde macroscopique des monstres quantiques IUF, Lille, Mars

8 Décohérence à la fontière classique/quantique Où est cette frontière? IUF, Lille, Mars

9 Explorer la frontière classique/quantique Expériences sur des systèmes quantiques uniques dans un environnement bien contrôlé atomes, ions, photons, circuits supraconducteurs, oscillateurs mécaniques Réalisation des expériences de pensée des pères fondateurs de la physique quantique boîtes à photons, chats de Schrödinger Une nouvelle lumière sur les phénomènes quantiques fondamentaux Une exploration directe de la décohérence Mettre un objet mésoscopique dans une superposition d états Observer son évolution. IUF, Lille, Mars

10 Un objet mésoscopique Un champ de quelques photons dans une «boîte à photons» Cavité supraconductrice Les meilleurs miroirs Stocke un champ micro-onde (51 GHz, longueur d onde 6mm) pendant un temps macroscopique: 0.13 s IUF, Lille, Mars

11 Un objet mésoscopique Champ créé par une source classique dans cette «boîte à photons» Description classique: Une amplitude, une phase Description quantique Une «fonction d onde» (fonction de Wigner) 2.5 photons Fluctuations quantiques IUF, Lille, Mars

12 Comment préparer un chat? Interaction du champ avec un unique atome Etat atomique très particulier très fortement couplé au champ Atome et cavité non résonants Pas d échange d énergie Atome modifie la fréquence de résonance de la cavité Change la phase classique du champ Atome dans une superposition quantique d états Champ dans une superposition quantique de deux phases différentes! Un objet mésoscopique dans une superposition d états avec des propriétés classiques différentes! IUF, Lille, Mars

13 Portrait d un chat de Schödinger S. Deléglise et al, Nature, 455, 510 (2008) IUF, Lille, Mars

14 50 millisecondes dans la vie d un chat S. Deléglise et al, Nature, 455, 510 (2008) IUF, Lille, Mars

15 Sonder et apprivoiser la décohérence Premières explorations de la frontière classique-quantique Mise en évidence directe de la décohérence Un phénomène redoutablement efficace Un obstacle à l utilisation de l étrangeté quantique à l échelle macroscopique (ordinateur quantique) Mieux comprendre la décohérence «métrologie de la décohérence» Pour mieux la combattre Correction d erreurs quantique Rétroaction quantique IUF, Lille, Mars

16 Notre équipe S. Haroche, M. Brune, G. Nogues, JM Raimond S. Kuhr, I. Dotsenko, A. Lupascu S. Gleyzes, C. Guerlin, J. Bernu, A. Emmert, S. Deléglise, C. Sayrin, X. Zhou,B. Peaudecerf : JST (ICORP) EC (Conquest, Qgates, Scala) CNRS UMPC IUF CdF IUF, Lille, Mars