Les théories de la physique classique suggèrent que lorsque deux ou plusieurs ondes électromagnétiques interfèrent de manière destructive (c'est-à-dire avec leurs champs électriques qui s'annulent mutuellement), ils ne peuvent pas interagir avec la matière. En revanche, la théorie de la mécanique quantique suggère que les particules légères continuent d'interagir avec d'autres matières même lorsque leur champ électrique moyen est égal à zéro.
Des chercheurs de l'Université fédérale de São Carlos, d'Eth Zurich et de l'Institut Max Planck of Quantum Optics ont récemment réalisé une étude explorant ce contraste entre les théories de la mécanique classique et quantique à travers l'objectif de l'optique quantique, le domaine d'étude explorant les interactions entre la lumière et la matière à un niveau quantique. Leur article, publié dans Lettres d'examen physiquepropose que les interférences classiques proviennent d'états binomiaux à deux modes spécifiques, qui sont des états de lumière collectifs brillants et sombres.
« Après une collaboration de longue date et fructueuse sur des sujets de cavité QED avec le premier auteur, Celso J. Villas-Boas, lui et moi avons échangé de nombreuses idées perspicaces concernant le sujet signalé sur une période de plusieurs années », a déclaré Gerhard Rempe, auteur principal du journal, à Issues.fr.
« Inspiré par mes expériences d'informations quantiques avec un atome couplé à deux cavités optiques et aux photons uniques volant dans et hors des cavités, il se demandait ce qui se passerait si l'atome était exposé à deux champs légers qui sont tous deux dans la superposition de zéro et un photon.
Dans le scénario considéré par les villas-boas, les deux (ou plus) atomes décrits par Dicke dans son travail sont remplacés par deux (ou plus) modes optiques contenant zéro ou un photon. Dans ce contexte, les termes « brillants » et « sombres » impliquent qu'un atome à l'état fondamental peut être excité ou ne peut pas être excité (en raison des amplitudes d'excitation interférences), respectivement.
« Répondant à cette image, j'ai comparé la situation à celle de deux états de lumière cohérents qui interfèrent destructivement et ne peuvent donc pas exciter l'atome à la position d'un nœud de champ (où l'intensité est nulle) », a expliqué Rempe. « Ma comparaison entre les champs lumineux quantiques et classiques nous a littéralement forcés à réfléchir à la relation entre l'interférence classique avec l'intensité maxima / minima et les états de lumière brillants / sombres quantiques-mécaniques. »
S'appuyant sur les idées discutées avec REMPE, Villas-Boas a théoriquement analysé l'expérience à double fente en utilisant à la fois des états à photon unique (quantum) et cohérents (quasi-classiques). Ses analyses ont montré que les modèles d'interférence observés expérimentalement, les maxima et les minima, pouvaient en fait être expliqués en termes d'états de lumière brillants (détectables) et sombres (indétectables).
« De nombreuses discussions partiellement controversées entre nous deux ont ensuite conduit à une image d'interférence totalement nouvelle qui utilise des particules au lieu de champs », a déclaré Rempe. « Par exemple, un champ de lumière à ondes debout classique (composé de deux ondes lumineuses contre-propagation) avec des maxima d'intensité périodique et des minima est désormais décrite comme une succession alternée d'états brillants et sombres des photons, respectivement. »
Une caractéristique notable des états sombres est qu'ils contiennent des photons. Le nouveau cadre théorique décrit par les chercheurs suggère que ces photons sont présents aux nœuds d'un modèle d'interférence. Cependant, comme l'État à laquelle ils sont associés sont sombres, ces photons ont été supposés inobservables à l'aide de méthodes expérimentales conventionnelles.
« Il s'agit d'une image très contre-intuitive qui nous a initialement fait douter que notre description peut être correcte », a expliqué Rempe. « Le soutien est venu d'une expérience que j'ai menée dans mon groupe à la fin des années 1990, qui concernait le rôle d'un observateur de ce chemin dans des expériences à double fente.
« Comme cela avait été discuté de manière controversée à ce moment-là, l'observation de la trajectoire (d'une particule à travers la double fente) peut être si douce que de ne pas exercer un coup de pied d'élan sur la particule interférente. Cela soulève la question si ouverte si ouverte de la façon dont l'observation peut provoquer la particule d'un brillant dans une région sombre afin de laver le motif d'interférence. »
La nouvelle approche théorique décrite par les chercheurs fournit une explication alternative basée sur l'optique quantique pour les interférences classiques. Plus précisément, cela suggère que la détection de ce chemin modifie l'état dans les régions sombres à un état brillant. À savoir, sans nécessairement modifier la trajectoire d'une particule, un observateur de ce qui-path peut modifier l'état de telle manière que la particule devient détectable.
« À mon humble avis, notre description est significative car elle fournit une image quantique (avec des particules) d'interférence classique (avec des vagues): maxima et minima résultent d'états de particules brillants (ce couple) et noirs (qui ne sont pas en couple) », a déclaré Rempe. « Je dirais que notre image résout les aspects (tels que la détection de ce cours) d'un ancien débat impliquant certains des plus grands esprits, tels que Newton (particules), Maxwell (vagues), Einstein (particules), Millikan (vagues) et bien d'autres. »
La récente étude de REMPE, Villas-Boas et leurs collègues établit une nouvelle vision de l'interférence classique des vagues, qui décrit les maxima et les minimums en termes de superposition quantique brillante / sombre enchevêtrée de particules. Alors que les chercheurs savaient déjà que les équations classiques de Maxwell ne décrivent pas de nombreux phénomènes d'optique quantique, la nouvelle théorie de l'équipe offre une description plus générale de l'interférence.
« Dans un certain sens, nous avons montré que les équations de Maxwell sont un cas limitant de mécanique quantique », a déclaré Rempe. « Ceci est réalisé en incorporant deux effets dans le modèle. Premièrement, le détecteur surveillant le modèle d'interférence et son couplage à la lumière est traité entièrement quantique mécaniquement. Deuxièmement, l'interférence est décrite comme résultant d'états de particules enchevêtrés.
« Ces états se révèlent brillants ou sombres (ou quoi que ce soit entre les deux), selon qu'ils se couplent ou non au détecteur ou non. Une caractéristique caractéristique de l'état sombre est qu'elle contient des particules, mais que ces particules restent inobservables pour le détecteur choisi, »
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs pourraient bientôt inspirer d'autres études visant à développer davantage leur théorie nouvellement introduite, qui décrit les phénomènes d'interférence en termes de particules au lieu de vagues. Leur cadre proposé pourrait faire progresser la compréhension actuelle des interférences classiques, tout en guidant potentiellement de futurs efforts expérimentaux.
« Dans cette étude, nous avons spécifiquement étudié le cas des particules lumineuses observées par un atome à deux niveaux dans son état fondamental », a ajouté Rempe. « Je pense qu'il serait également intéressant d'explorer le cas des particules matérielles observées par tout autre détecteur approprié tel qu'un dispositif d'ionisation ou simplement un dépôt sur une surface. »
