Voir un photon sans le détruire

Voir un photon sans le détruire J.M. Raimond Université Pierre et Marie Curie UPMC sept 2011 1

Un siècle de mécanique quantique: 1900-2010 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 UPMC sept 2011 2

Un siècle de mécanique quantique: 1900-2010 1925-1930: 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 UPMC sept 2011 3

Une réussite théorique sans précédent Un énorme champ d applications Des constituants élémentaires (cordes et particules) 10-35 m à 10-15 m Aux structures cosmologiques 10 26 m En passant bien sûr par les atomes 10-10 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) UPMC sept 2011 4

Des applications d usage quotidien Ordinateurs (physique du solide) Lasers (optique quantique) UPMC sept 2011 5

Des applications d usage quotidien Horloges (physique atomique, atomes froids) 1 seconde pour 10 millions d années!! IRM (spins, supraconducteurs, informatique) UPMC sept 2011 6

Et pourtant. Un monde microscopique contre-intuitif Superpositions Une particule ici et là au même moment?? Intrication Deux systèmes quantiques qui ont interagi forment une entité unique, non séparable Non-localité de la physique quantique Des manifestations jamais observées à notre échelle Pas de superpositions ni d intrication Pas de chat de Schrödinger Pourquoi y a-t-il une réalité classique?? Encore une question ouverte UPMC sept 2011 7

Un intérêt renouvelé pour la physique 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 Contredire 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) Une nouvelle lumière sur les phénomènes quantiques fondamentaux prototypes de manipulation quantique de l information une meilleur compréhension du monde quantique Et, en particulier, de la mesure quantique UPMC sept 2011 8

Mesure quantique L aspect le plus intriguant de la physique quantique Postulats simples pour une mesure idéale (projective) Discontinuité quantique tous les résultats ne sont pas autorisés» valeurs propres de l observable mesurée Probabilités prédiction des probabilités d obtention des résultats» Dieu joue aux dés Répétabilité ou projection de l état deux mesures identiques dans un court intervalle de temps donnent le même résultat» projection de l état sur un état propre de l observable UPMC sept 2011 9

Mesures idéales et mesures réelles La plupart des mesures sont loin d être idéales Photodétection mesure de l énergie du champ quantification: nombre de photons probabilités: statistique de photons répétabilité? Photodétecteurs (PM, photodiode, rétine) absorbent les photons et convertissent leur énergie en signal (chimique, électrique ) La seconde détection donne toujours zéro: on ne peut voir deux fois le même photon Démolition de l état quantique par la détection Cette démolition n est pas exigée par la mécanique quantique UPMC sept 2011 10

Comptage idéal de photons Mesures sans démolition quantique (Braginsky, 70s) Un détecteur transparent voit et revoit le même photon Réalisé dans le domaine optique (Grangier et al, Nature, 396, 537) pas au niveau du photon unique non linéarité faible faisceaux propageants: répétition difficile Meter Phase reference Signal Comment voir un photon sans le perdre? UPMC sept 2011 11

Une expérience de pensée Une horloge qui bat à un rythme déterminé par le nombre de photons dans la boîte La position finale de l aiguille détermine directement le nombre de photons UPMC sept 2011 12

Notre boîte et nos horloges Boîte à photons cavité microonde supraconductrice le plus long temps de stockage Horloge atomes de Rydberg circulaires superpositions d états préparées et sondées par interférométrie atomique Interaction Electrodynamique quantique en cavité Une technologie TRES complexe pour réaliser un système quantique TRES simple UPMC sept 2011 13

Atomes de Rydberg circulaires Atomes idéaux Orbite mésoscopique diamètre 0.25 µm Longue durée de vie (30ms) Fort couplage au champ Accordable par effet Stark Détection sélective efficace 51.1 GHz 50 (level g) 51 (level e) requièrent des cavités ouvertes champ électrique statique directeur Cavités Fabry Pérot paramètre essentiel temps de vie du photon 28 mm 50 mm TEM 900 @ 51,1 GHz Superconducting mirror UPMC sept 2011 14

Miroirs supraconducteurs de haute qualité Substrats de cuivre usinage diamant ~précision de forme 300 nm ptv ~rugosité 10 nm Surface torique mode unique 12 µm de niobium Pulvérisation cathodique CEA, Saclay [E. Jacques, B. Visentin, P. Bosland] S. Kuhr et al, APL, 90, 164101 UPMC sept 2011 15

Une boîte pour photons microonde Une cavité de finesse remarquable Temps de vie: 0.13 s @ 0.8 K Facteur de qualité: Q = ω T c = 4.2 10 10 Finesse: F = 4.6 10 9 pendant ce temps, un photon rebondit 1.1 milliards de fois sur les miroirs parcourt 40 000 km Meilleurs miroirs jusqu à maintenant, dans tous les domaines de fréquence! S. Kuhr et al, APL 90, 164101 (2007) UPMC sept 2011 16

Dispositif expérimental Atomes circulaires Cavité Microonde RMP 73, 565 UPMC sept 2011 17

Région froide: diamètre 40 cm 40 kg cuivre plaqué or 0.8 K 24 heures pour le refroidissement UPMC sept 2011 18

Une mesure idéale du nombre de photons Comment voir un photon sans l absorber? interaction atome-champ non résonnante (dispersive) pas d échange d énergie pas d émission ou d absorption de photon Déplacements lumineux les niveaux atomiques sont modifiés par le champ L atome est une horloge qui bat à un rythme dépendant du nombre de photons Les atomes emportent une information sur le nombre de photons sans changer ce nombre! UPMC sept 2011 19

Fonction d onde Une horloge atomique x Electron délocalisé sur l orbite circulaire du modèle de Bohr Pas de dipôle moyen Pas une très bonne horloge: pas d aiguille UPMC sept 2011 20

Une horloge atomique Superposition de e et g e>+ g> Preparée à partir de e par une impulsion classique résonnante x phase du mouvement de l électron bien définie Constante en l absence de perturbation Dipôle moyen non nul: l aiguille de l horloge UPMC sept 2011 21

Une horloge atomique Superposition de e et g e>- g> x Dipôle opposé état quantique orthogonal à e>+ g> UPMC sept 2011 22

Déphasage du dipôle Préparation de e>+ g> avant l interaction avec la cavité Accumulation du déplacement lumineux Déphasage du dipôle atomique Φ=Φ 0 n Φ 0 réglable en ajustant la fréquence atomique et le temps d interaction Φ UPMC sept 2011 23

Un cas simple Mesure de zéro ou un photon État initial e+g (préparé par micro-onde résonante) déphasage de π par photon Zéro photon laisse e+g Un photon prépare e-g Deuxième impulsion micro-onde e+g devient g e-g devient e Dans une expérience idéale, l état atomique final détermine directement le nombre de photons g pour zéro e pour un UPMC sept 2011 24

Naissance, vie et mort d un photon Champ thermique résiduel T=0.8 K n th =0.05 e g 1 0 vie de 500 ms Photon «Mathusalem» 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 temps (s) Gleyzes et al, Nature, 446, 297 (2007) UPMC sept 2011 25

Assister à la mort d un photon Trajectoires quantiques partant de n=1: Effacement du champ avec des atomes dans g, accordés à résonance (par effet Stark). Préparation efficace du vide de rayonnement Préparation de l état à un photon émission par un atome préparé dans e, accordé à résonance Mesure répétée du champ 10 000 sondes atomiques sur 700 ms UPMC sept 2011 26

Assister à la mort d un photon 1 séquence : 1 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) UPMC sept 2011 27

Assister à la mort d un photon 5 séquences : 1 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) UPMC sept 2011 28

Assister à la mort d un photon 15 séquences : 1 théorie (équation pilote) 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 UPMC sept 2011 29

Assister à la mort d un photon 904 séquences : 1 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) Relaxation continue prédite par l équation pilote pour les moyennes quantiques Une illustration directe de la différence entre réalisations individuelles et moyennes quantiques UPMC sept 2011 30

Compter jusqu à 7 z Lever l ambiguïté quantique Un atome 5 Une direction par valeur 4 de n information insuffisante 3 N=110 atomes x QND: tous pointent dans la même direction pour un même n intrication du nombre de photons avec ensemble mésoscopique 2 6 1 7 8 0 Estimer la direction de la direction du dipôle par «tomographie quantique» N/2 atomes: mesure S x 1 S y ΔS N atomes N N/2 atomes: mesure S Y UPMC sept 2011 31 S x

Statistique du nombre de photons à la fin de la mesure Excellent accord avec la distribution de Poisson attendue UPMC sept 2011 32

Une trajectoire quantique Une mesure répétée confirme n=7 Sauts quantiques dus à l amortissement du champ Projection quantique sur n=7 C. Guerlin et al, Nature, 448, 889 UPMC sept 2011 33

Effet Zénon quantique Une application spectaculaire de cette mesure quantique idéale A watched kettle never boils Évolution cohérente d un système et mesures fréquemment répétées Évolution par sauts quantiques entre états propres de l observable mesurée Une évolution beaucoup plus lente qu en l absence de mesures Pas d évolution du tout à la limite de mesures répétées infiniment rapidement UPMC sept 2011 34

Effet Zénon quantique Évolution cohérente: injection d un champ par une source classique Classical source 0 α Injection répétée d impulsions cohérentes en phase: amplitude finale varie linéairement avec le nombre d injections QND (le nombre de photons varie quadratiquement). Mean photon number Principe de l expérience: Mesure QND du nombre de photons entre deux injections de champ Time UPMC sept 2011 35

Croissance d un champ cohérent Démarrage quadratique Photons injecté par impulsion: 2 n1 = α1 = 0.00223± 0.00012 UPMC sept 2011 36

Croissance inhibée J. Bernu et al, PRL, 101, 180402 Pas de mesure Mesures QND répétées UPMC sept 2011 37

Préparation d états de Fock par rétroaction quantique Mesure QND Bonne fidélité Sélection aléatoire du nombre de photons Préparation déterministe d états de Fock? Rétroaction quantique Mesure et action déterministe conduisent la cavité dans un état de Fock choisi! Algorithme Acquisition d information Atome QND, faible déphasage Estimation du champ après la mesure Réactionpour optimiser le recouvrement avec l état choisi Déplacement cohérent du champ Emission atomique résonnante Itération. UPMC sept 2011 38

Boucle de rétroaction quantique injection state Composants: Capteur (quantique): atome et mesure QND Contrôleur (classique): Ordinateur (rapide!) Actuateur (classique ou quant.): - injection micro-onde - atome resonnant J. Geremia PRL 97, 073601 I. Dotsenko, M. Mirrahimi, M. Brune, S. Haroche, J.M. Raimond, P. Rouchon, Phys. Rev. A. 80, 013805 (2009) UPMC sept 2011 39

Feedback : stabilisation de deux photons UPMC sept 2011 40

Feedback: stabilisation d un photon - Detection outcomes - Distance to the target - Control injection - Photon-number distribution P(n<n t ), P(n=n t ) and P(n>n t ) C. Sayrin et al to appear in Nature, arxix 1107.4027 UPMC sept 2011 41

Conclusion Excellente maîtrise de systèmes quantiques simples Illustration directe des fondements de la physique quantique Meilleure compréhension de la frontière classique/quantique Expériences sur des chats de Schrödinger Portrait d un chat UPMC sept 2011 42

Conclusion Et des applications au traitement quantique de l information Utiliser l étrangeté quantique pour de nouvelles fonctions de traitement ou de transmission d information Cryptographie quantique Téléportation quantique Simulation quantique Calcul quantique Des objectifs à long terme mais fascinants Une intense activité mondiale Centaines de groupes Le XXIème siècle sera peut etre aussi celui de la physique quantique! UPMC sept 2011 43

Notre équipe S. Haroche, M. Brune, JM Raimond, S. Gleyzes Cavity QED experiments I. Dotsenko C. Sayrin, X. Zhou, B. Peaudecerf, T. Rybarczyk Superconducting atom chip Sha Liu R. Teixeira, C. Hermann Collaborations: Cavities: P. Bosland, B. Visentin, E. Jacques CEA Saclay (DAPNIA) Feedback: P. Rouchon, M. Mirrahimi, A. Sarlette Ecole des Mines Paris QZD: P. Facchi, S. Pascazio Uni. Bari and INFN :ERC (Declic), EC (Aqute, CCQED), ANR (QUSCO),CNRS, UMPC, IUF, CdF www.cqed.org UPMC sept 2011 44