Interférence quantique de la lumière : un phénomène anormal découvert

Trois chercheurs de l’Université libre de Bruxelles en Belgique ont découvert un côté contre-intuitif de la physique des interférences photoniques. Dans un article publié ce mois-ci dans Photonique de la nature, ils ont proposé une expérience de pensée qui contredit complètement les connaissances courantes sur la soi-disant propriété collectrice des photons. L’observation de cet effet de regroupement anormal semble être à la portée des technologies photoniques actuelles et, si elle y parvenait, aurait un impact important sur notre compréhension des interférences multiparticules quantiques.

L’une des pierres angulaires de la physique quantique est le principe de complémentarité de Niels Bohr, qui stipule, en gros, que les choses peuvent se comporter soit comme des particules, soit comme des ondes. Ces deux descriptions contradictoires sont bien illustrées dans l’expérience emblématique de la double fente, dans laquelle des particules frappent une plaque contenant deux fentes. Si la trajectoire de chaque particule n’est pas surveillée, on remarque des franges d’interférence ondulatoires lorsque les particules sont collectées après avoir traversé les fentes. Mais si les trajectoires sont suivies, les membres disparaissent et tout se passe comme s’il s’agissait de sphères ressemblant à des particules dans un univers classique.

Comme l’a inventé le physicien Richard Feynman, les franges d’interférence proviennent du manque d’informations sur « quel chemin », de sorte que les franges doivent nécessairement disparaître une fois que l’expérience nous permet de savoir que chaque particule a emprunté l’un ou l’autre chemin à travers la fente droite ou gauche.

La lumière n’échappe pas à cette dualité : elle peut soit être décrite comme une onde électromagnétique, soit être comprise comme constituée de particules sans masse se déplaçant à la vitesse de la lumière, c’est-à-dire des photons. Cela s’accompagne d’un autre phénomène fascinant : le phénomène d’agrégation de photons. En gros, s’il n’y a aucun moyen de distinguer les photons et de savoir quel chemin ils suivent dans une expérience d’interférence quantique, ils ont tendance à rester ensemble.

Ce comportement peut déjà être observé avec deux photons entrant en collision sur le côté d’un miroir translucide, qui divise la lumière entrante en deux chemins possibles liés à la lumière réfléchie et transmise. En fait, le fameux effet Hung Ou Mandel nous dit ici que les deux photons externes sortent toujours ensemble du même côté du miroir, ce qui est le résultat d’interférences ondulatoires entre leurs trajectoires.

Cet effet de regroupement ne peut pas être compris dans la vision du monde classique où nous considérons les photons comme des boules classiques, chacune empruntant un chemin bien défini. Ainsi, logiquement parlant, le regroupement devrait devenir moins clair une fois que nous pourrons distinguer les photons et suivre les chemins qu’ils ont empruntés. C’est exactement ce que l’on observe expérimentalement si les deux photons incidents sur le miroir translucide, par exemple, ont des polarisations distinctes ou des couleurs différentes : ils se comportent comme des sphères classiques et ne s’agglutinent plus. Cette interaction entre l’agrégation des photons et la différenciabilité est généralement reconnue comme reflétant une règle générale : l’agrégation doit être maximale pour les photons qui sont complètement indiscernables et diminuer progressivement à mesure que les photons sont de plus en plus distingués.

Contre toute attente, cette hypothèse commune a récemment été démentie par une équipe du Centre d’information et de communication quantiques de l’École polytechnique de Bruxelles, Université libre de Bruxelles dirigée par le professeur Nicolas Cerf, l’aidant à obtenir son doctorat. L’étudiant, Benoît Cerone, et le chercheur postdoctoral, le Dr Leonardo Novo, travaillent maintenant comme chercheurs au Laboratoire international ibérique de nanotechnologie, au Portugal.

Ils ont étudié un scénario théorique spécifique où sept photons entrent en collision avec un grand interféromètre et ont sondé des cas où tous les photons convergeaient vers deux voies de sortie de l’interféromètre. Le regroupement devrait logiquement être le plus fort lorsque les sept photons admettent la même polarisation car cela les rend complètement indiscernables, ce qui signifie que nous n’obtenons pas d’informations sur leurs trajectoires dans l’interféromètre. Étonnamment, les chercheurs ont découvert qu’il existe certains cas dans lesquels l’agrégation de photons est considérablement renforcée – plutôt qu’affaiblie – en rendant les photons partiellement distinguables via un schéma de polarisation bien choisi.

L’équipe belge a profité d’un lien entre la physique des interférences quantiques et la théorie mathématique du temps. En utilisant une conjecture récemment réfutée concernant les permanents de la matrice, ils peuvent démontrer qu’il est possible d’améliorer encore la diffusion des photons en ajustant la polarisation des photons. En plus d’être intéressant pour la physique fondamentale des interférences photoniques, ce phénomène de regroupement anormal devrait avoir des implications pour les technologies photoniques quantiques, qui ont montré des progrès rapides ces dernières années.

Les expériences visant à construire un ordinateur quantique optique ont atteint un niveau de contrôle sans précédent, où de nombreux photons peuvent être créés, interférant à travers des circuits optiques complexes, et comptés avec des détecteurs de nombre de photons. Comprendre les subtilités de l’agrégation de photons, qui est liée à la nature bosonique quantique des photons, est donc une étape importante dans cette perspective.