Photons, expériences de pensée et chat de Schrödinger: une promenade quantique

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1 Photons, expériences de pensée et chat de Schrödinger: une promenade quantique J.M. Raimond Université Pierre et Marie Curie Institut Universitaire de France Laboratoire Kastler Brossel Département de Physique Ecole Normale Supérieure ENS, 13/02/10 1

2 Un siècle de mécanique quantique: Planck (1900) et Einstein (1905): Quanta lumineux la lumière est faite de grains élémentaires (photons) Explique le rayonnement du corps noir et l effet photoélectrique Hypothèse de discontinuité quantique: le début de l aventure intellectuelle la plus fascinante de l histoire de la physique ENS, 13/02/10 2

3 Un siècle de mécanique quantique: : naissance de la théorie quantique moderne Heisenberg Schrödinger Dirac 1927 Congrès Solvay Développement du formalisme et de son interprétation Lien entre objets mathématiques et réalité observable Rôle des expériences de pensée Une moisson énorme de succès Physique atomique Physique du solide Physique des particules ENS, 13/02/10 3

4 Une réussite théorique sans précédent Un énorme champ d applications Des constituants élémentaires (cordes et particules) m à m Aux structures cosmologiques m En passant bien sûr par les atomes m Des prédictions d une précision extrême Accord théorie-expérience sur 12 chiffres! Un cadre théorique universel Toutes les interactions fondamentales de la nature dans un cadre unique (sauf la gravité) ENS, 13/02/10 4

5 et des applications sans nombre Physique du solide Les circuits intégrés modernes reposent sur notre compréhension quantique des semi-conducteurs Circuit intégré: cristal de silicium sur lequel est déposé un nombre gigantesque de «transistors» semiconducteurs ENS, 13/02/10 5

6 et des applications sans nombre Physique atomique Les lasers, prévus par Einstein en 1917, sont des dispositifs quantiques essentiels pour la transmission d information a distance (réseau de fibres optiques) et le stockage d information Les horloges atomiques ultra-précises (1s par million d années) sont au cœur du système GPS ENS, 13/02/10 6

7 et des applications sans nombre L imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire (IRM) est une combinaison de technologies quantiques. + + Aimants supraconducteurs Résonance magnétique des protons dans un champ magnétique Circuits intégrés semiconducteurs pour la reconstruction des images 40 % de la richesse mondiale repose sur notre compréhension quantique du monde microscopique. ENS, 13/02/10 7

8 État quantique Les surprises du monde quantique Notation de Dirac 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 1 2 x y Une particule dans deux endroits à la fois??? Commode, mais choquant. est un état possible de la particule ENS, 13/02/10 8

9 Etat Les surprises du monde quantique 1 2 x y On mesure la position de la particule. Deux résultats possibles x ou y Se manifestent de façon aléatoire avec des probabilités égales Un cas sur deux, on trouve x, un cas sur deux y Un pile ou face fondamental. Rien ne permet de prédire le résultat d une expérience quantique unique. Seules les probabilités d occurrence sont prédictibles. Renoncement au déterminisme classique (ce qui n empêche pas de faire des prédictions extraordinairement précises). Einstein «Dieu joue aux dés» Bohr «arrête de dire à Dieu ce qu il doit faire» ENS, 13/02/10 9

10 Etat après la mesure x Les surprises du monde quantique Ou y Une seconde mesure immédiatement après la première donne le même résultat La mesure modifie fondamentalement et irréversiblement l état quantique. Une notion nouvelle par rapport à la physique classique (on peut mesurer une quantité physique aussi précisément que possible sans pertruber le système) ENS, 13/02/10 10

11 Les limites du monde quantique Pas de superposition à notre échelle! Pas de chat de Schrödinger Pourquoi? Un système macroscopique est très fortement couplé à son environnement 1 2 Environment Cet environnement «l observe», le «mesure» en permanence et le force à choisir entre les deux états Décohérence Un phénomène extraordinairement efficace qui confine l étrangeté quantique au monde microscopique ENS, 13/02/10 11

12 Les expériences de pensée deviennent réélles Genèse de la physique quantique et expériences de pensée Exacerber les comportements quantiques pour fonder l interprétation du formalisme Des outils pour réaliser ces expériences de pensée Lasers, ordinateurs. qui nous permettent de Donner tort à Schrödinger «we never experiment with just one electron or atom or (small) molecule. In thought-experiments we sometimes assume that we do; this invariably entails ridiculous consequences.» (Schrödinger British Journal of the Philosophy of Sciences, Vol 3, 1952) Mieux apprivoiser l étrangeté quantique Rêver à des applications. ENS, 13/02/10 12

13 Peser un photon Une expérience de pensée dans le débat Einstein/Bohr Une réalisation moderne?? Serge Haroche, Médaille d or CNRS 2009 (LKB, ENS) ENS, 13/02/10 13

14 «Peser un photon» Un photon micro-onde enfermé dans une «boîte» presqu idéale Sondé par des atomes ultra-sensibles ENS, 13/02/10 14

15 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) Gleyzes et al, Nature, 446, 297 (2007) ENS, 13/02/10 15

16 La physique quantique au XXI ème siècle Une théorie parfaitement bien établie, mais très contraire à notre intuition, forgée à la mesure du monde macroscopique. Des illustrations expérimentales des postulats de base Apprivoiser l étrangeté quantique Des questions ouvertes fondamentales Théorie de la mesure, compréhension et interprétation des postulats Limites monde quantique/monde classique, décohérence Des applications à explorer: Utiliser l'étrangeté quantique pour traiter et transmettre de l'information ENS, 13/02/10 16

17 Ordinateur quantique Des bits et des qubits Ordinateur classique manipule des bits: 0 OU 1 Ordinateur quantique manipule des qubits: 0 ET 1 Superposition quantique de tous les calculs possibles Infiniment plus efficace qu une machine classique Réalisé: quelques opérations, quelques qubits Intéressant pour la simulation de systèmes quantiques Difficulté essentielle Décohérence: l ordinateur quantique est un chat de Schrödinger! ENS, 13/02/10 17

18 Pour en savoir plus Ouvrages de vulgarisation (tous publics) La cantique des quantiques (Ortoli et Pharabod, La découverte) Initiation à la physique quantique (Scarani, Vuibert) Numéro spécial de Sciences et Avenir (décembre 2008) Numéro spécial de Science et Vie (février 2009) L Archicube N 7: La lumière (2009) Manuels (niveau L3) Physique quantique (M. Le Bellac, CNRS éditions) Mécanique quantique (C. Aslangul, de Boeck) Monographies (niveau M1) Introduction à l information quantique (M. Le Bellac, Belin) Exploring the quantum (S. Haroche, J.M. Raimond, OUP) ENS, 13/02/10 18