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Approche sensible du monde quantique - Le regard meurtrier -

Adrien Facon

Laboratoire Kastler Brossel

Collège de France

[email protected]

Cours Physique pour non-physiciens

ENS Ulm

17 décembre 2014

Sources : Cours Collège de France de Serge Haroche ; Cours Ecole Polytechnique de Jean Dalibard

Les « deux petits nuages » de Lord Kelvin

27 avril 1900, Lord Kelvin : « La connaissance en physique est semblable à un grand ciel

bleu, à l’horizon duquel subsistent seulement deux petits nuages... »

Le rayonnement du corps noir

= lumière émise par un corps matériel, en équilibre thermique à la température T

« Scandale » d’une courbe en cloche décrivant un phénomène très simple, inexplicable par la physique classique :

la distribution spectrale du rayonnement thermique

« Naissance » du photon - Puissance d’une analogie -

Explicitant Planck, Einstein comprend que la lumière, comme un gaz, est constituée d’un ensemble de particules. La lumière possède des propriétés quantiques et son

quantum de rayonnement sera baptisé « photon » par Lewis en 1926 !

Quantification des « échanges d’énergie »

hnE entier nombreun n

ondel' de fréquence

J.s 1063.6 34

h

Planck (1900) Einstein (1905)

Analogie avec une autre courbe en cloche

distribution des vitesses des molécules dans un gaz

hEquantum ondel' de fréquence

J.s 1063.6 34

h

Dualisme onde-corpuscule

- Expérience des fentes d’Young (1804) -

? Photons individuels

Einstein : Expérience compatible avec la notion de « photon » ?

Chaque photon se comporte-t-il comme une boule de billard ?


- Expérience des fentes d’Young à un photon -

Grangier (1986), Roch (2005)

Comment les photons arrivent-ils seulement sur les franges brillantes s’ils passent un à un par une fente ou l’autre ? Comment apparaissent-ils comme des points s’ils sont des ondes ?


Particules Ondes

(D. Hofstadter)

Principe de superposition

- Expérience des fentes d’Young -

Comment les photons arrivent-ils seulement sur les franges brillantes s’ils passent un à un par une fente ou l’autre ? Comment apparaissent-ils comme des points s’ils sont des ondes ?

Chaque photon doit passer par les deux trous à la fois ! Conséquences : - Abandon de la notion classique de trajectoire. - Principe de superposition.

Expérience de pensée :

Test de Complémentarité

Einstein et Bohr à Solvay (1927)

Idée maîtresse : L’intrication (entre particule et la fente) tue les interférences

Principe de superposition

- Expérience des fentes d’Young -

Peut-on savoir par quelle fente est passée la particule ?

- Principe de complémentarité -

Expérience de pensée :

Test de Complémentarité

Einstein et Bohr à Solvay (1927)

Idée maîtresse : L’intrication (entre particule et la fente) tue les interférences

Louis De Broglie (1923)

A toute particule matérielle de masse m et d’impulsion , on peut associer une onde de longueur d’onde :

p mv

h

p

Einstein à Langevin : « Le travail de Louis de Broglie m’a grandement impressionné. Il a soulevé un coin du grand voile [...] Si vous le voyez, veuillez lui témoigner toute mon estime et ma sympathie. »

Les ondes de De Bloglie

- Ondes de matières -

Le pouvoir de résolution d’un microscope est limité par la longueur d’onde qu’on utilise

Microscopie optique : En lumière visible,

Microscope optique limité à une fraction de micromètre

800nm ; nm 380

Microscopie électronique :

Détails beaucoup plus fins

S. Borensztajn, CNRS

Utilisation des ondes de De Bloglie

- Microscopie électronique -

Structure de la matière

- Spectroscopie atomique -

Atome hydrogenoïde : Noyau + 1 e-

Condition de « quantification » : L’onde « retombe sur elle-même » après un tour

ndB 2rorbite

Atome de Bohr (1913) : Quantification des niveaux d’énergie

Résumé intermédiaire

- Lumière et matière -

1 ) La lumière et la matière sont régies par le dualisme onde-corpuscule :

- A la fois, onde et une particule : D.Hofstadter, For the Love of Line and Pattern, p. 30

2 ) Le principe de superposition, qui énonce que

si un système quantique peut se trouver dans un état A ou dans un état B, alors toute combinaison linéaire des états A et B est aussi un état possible s’applique aussi bien à la lumière qu’à la matière.

Une autre expérience de pensée

- Le Chat de Schrödinger -

Une fable imaginée par Schrödinger et Einstein afin de mettre à mal le principe de superposition :

Un gros système couplé à un seul atome finit dans une étrange superposition…

Cette fable mène en fait à la notion d’intrication quantique et ouvre une réflexion sur la limite classique/quantique.

Une Introduction à la Mécanique Quantique

III. Le monde quantique, où donc ?

- La physique quantique couvre plus de 60 ordres de grandeur !

Le monde quantique

- Où çà ? -

Supercordes

Noyaux, radioactivité Energie nucléaire Atomes

Molécules biologiques

Monde macroscopique

Planètes, étoiles Galaxies

10-35 m 10-15 m 10-10 m 10-8 m 10-3 m – 10 m 10+8 m – 10+10 m 10+26 m

- Elle permet une description unifiée des interactions électromagnétique, faible et forte dans un même cadre. Manque la gravitation…

- La théorie la plus précise et la mieux vérifiée :

théorie

expérience

Moment magnétique de l’électron en

électrodynamique quantique

Le monde quantique

- Où çà ? -

Au fondement des technologie modernes : transistors et ordinateurs,

lasers, horloges atomiques et GPS, réseau Internet par fibres optiques, matériaux supraconducteurs…

Le principe du laser remonte aux travaux d’Einstein sur l’émission stimulée en 1917. Il a révolutionné notre façon de stocker et transporter l’information.

Les horloges atomiques sont au cœur du système GPS - dérive d’une seconde sur 10

millions d’années - Repérage à quelques mètres près

sur la surface du globe

Le monde quantique

- Où çà ? -

Au fondement des technologie modernes : transistors et ordinateurs,

lasers, horloges atomiques et GPS, réseau Internet par fibres optiques, matériaux supraconducteurs…

En physique du solide, la compréhension des semi-conducteurs a conduit au transistor, puis aux circuits intégrés.

La magnéto-résistance géante est un effet quantique (Nobel 2007), utilisé dans les têtes de lectures de disque dur, et prometteuse pour le stockage des données.

Le monde quantique

- Où çà ? -

Au fondement des technologie modernes : L’imagerie par résonance

magnétique (IRM) est permise par la combinaison de trois technologies « quantiques » :

Spin du proton : mouvement dans un champ magnétique

Ce champ est produit par un aimant supraconducteur (effet quantique). Des circuits-intégrés semi-conducteurs permettent la reconstruction des images.

Image statique ou dynamique (IRM fonctionnelle)

Une Introduction à la Mécanique Quantique

IV. Comprendre et observer le monde quantique

L’étrangeté du monde quantique ne rend pas tout ce qui est étrange quantique !

Le monde quantique

- Place de l’expérience de pensée -

Dans tous ces dispositifs, la logique étrange des superpositions reste voilée.

Schrödinger savait que des particules individuelles pouvaient être détectées, mais, disait-il, c’était par des obervations « post mortem », qui détruisaient l’objet observé…

Pour l’observer directement, il faut manipuler des systèmes quantiques isolés, ce qui a été imaginé par les fondateurs de la théorie…

« We never experiments with single electrons, atoms or small molecules... In thought experiments we assume that we do. It always results in ridiculous consequences... »

Schrödinger, « Are there quantum jumps ? », British Journal for the Philosophy of Sciences, 3, 233 1952

«... 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

Comment « observer » le monde quantique ?

- Pour détecter, détruire ? -

Détection usuelle : Effet Photoélectrique

expliqué par Einstein en 1905 en utilisant quantifiant du rayonnement ( non explicable par la théorie ondulatoire de la lumière )

Photon // Grain de lumière capable « d’arracher » un électron

La détection usuelle des photons par effet photoélectrique « détruit » le photon.

Comment « observer » le monde quantique ?

- Le prix Nobel 2012 : à qui et pourquoi ? -

« Des méthodes expérimentales révolutionnaires qui permettent la mesure et la manipulation de systèmes quantiques individuels »

Piéger un atome sans contact avec la matière, avec de la lumière

Piéger un photon et l’observer sans le détruire, avec des atomes

Serge Haroche ENS & Collège de France (Paris)

David J. Wineland NIST & University of Colorado

(Boulder)

Comment « observer » le monde quantique ? - La physique autorise une observation moins brutale ! -

Détection « douce » : Mesure Quantique Non Destructive (QND)

« Boîte à photons » :

- Miroirs supraconducteurs (Niobium) - Haute précision : Rugosité locale = 10 nm

- Grande finesse

5 cm

2.8

cm

Il faut déjà réussir à piéger un photon !

Comment « observer » le monde quantique ? - L’interaction lumière/matière -

e

g

Rappel : Soit un atome 51 oscillations

50 oscillations

Etat Superposition :

Paquet électronique « localisé » qui tourne à une fréquence très précise autour du noyau (fréquence atomique entre les 2 niveaux), proche de la fréquence des

photons.

e g

// Aiguille d’horloge sur un cadran (« électron-aiguille »)


En présence de photons (non-résonnants) la fréquence de l’horloge est légérement modifiée, ce qui retarde l’horloge.

C. Cohen-Tannoudji (Nobel 1997, ENS)

Light - shift

Comment « observer » le monde quantique ? - Compter et recompter un photon -

Temps (s)

Un même photon est mesuré plusieurs fois sans être détruit !! Il survit 0,5 s ce qui est énorme à l’échelle atomique.

S. Gleyzes et al, Nature, 446, 297 (2007)‏

Comment « observer » le monde quantique ? - Compter et recompter un photon -

Un même photon est mesuré plusieurs fois sans être détruit !!

• Remarque : l’énergie d’un photon est insuffisante pour exciter l’atome : un photon ne peut être absorbé (ou émis).

S. Gleyzes et al, Nature, 446, 297 (2007)‏

Comment « observer » le monde quantique ? - Non-déterminisme -

• Remarque : Non-déterminisme

On ne peut pas prédire l’apparition ou la disparition d’un photon, On peut par contre prédire la probabilité que cela a d’arriver.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0

1

Time (s)

• Mort d’un photon

1 séquence

Temps (s)





0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0

1

Time (s)

5 séquences

Temps (s)





0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0

1

théorie

15 séquences

Temps (s) Temps (s)





0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0

1

Time (s)Temps (s)

904 séquences

Comment « observer » le monde quantique ? - Compter DES photons -

• Remarque : Information binaire (atome dans e ou g)

Un atome ne suffit pas. Impossible de compter de 0 à 7 avec un seul bit.

On exploite l’information de centaines d’atomes : - Ils n’absorbent pas de photons…

… mais apportent de l’information sur le nombre de photons.

Comment « observer » le monde quantique ? - Quantum jumps -

L’évolution est due aux pertes de la cavité. Observation de sauts quantiques dus à l’absorptions des photons

0 100 200 300 400 500 600 700

0

1

2

3

4

5

nu

mb

er

of

ph

oto

ns

time (ms)

Sauts quantiques aléatoires

Temps (ms)

Mesures répétées de n=5 photons

Première mesure: résultat aléatoire: n=5 dans ce cas

C. Guerlin et al, Nature, 448, 889

No

mb

re d

e p

ho

ton

s

ph

cavnFock

n

TT )(

Retour sur cette histoire de Chat… - Ou pourquoi les portes sont ouvertes OU fermées -

ph

cavnFock

n

TT )(

« Curiosity kills the cat », mais ce n’est pas tout…

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