Les physiciens du MIT ont effectué une version idéalisée de l'une des expériences les plus célèbres de la physique quantique. Leurs résultats démontrent, avec une précision au niveau atomique, la nature double mais évasive de la lumière. Ils confirment également qu'Albert Einstein avait tort sur ce scénario quantique particulier.
L'expérience en question est l'expérience à double fente, qui a été réalisée pour la première fois en 1801 par le savant britannique Thomas Young pour montrer comment la lumière se comporte comme une vague. Aujourd'hui, avec la formulation de la mécanique quantique, l'expérience à double fente est désormais connue pour sa démonstration étonnamment simple d'une réalité armatrice de la tête: cette lumière existe à la fois comme une particule et une vague.
Stranger encore, cette dualité ne peut pas être observée simultanément. Voir la lumière sous forme de particules obscurcit instantanément sa nature en forme d'onde, et vice versa.
L'expérience originale a impliqué de briller un faisceau de lumière à travers deux fentes parallèles dans un écran et d'observer le motif qui s'est formé sur un deuxième écran lointain. On pourrait s'attendre à voir deux taches de lumière qui se chevauchent, ce qui impliquerait que la lumière existe sous forme de particules, alias photons, comme des balles de paint qui suivent un chemin direct.
Mais au lieu de cela, la lumière produit des rayures brillantes et sombres alternées à l'écran, dans un motif d'interférence similaire à ce qui se passe lorsque deux ondulations dans un étang se rencontrent. Cela suggère que la lumière se comporte comme une vague. Encore plus étrange, quand on essaie de mesurer la fente de la lumière qui se déplace, la lumière se comporte soudainement comme des particules et le motif d'interférence disparaît.
L'expérience à double fente est enseignée aujourd'hui dans la plupart des cours de physique du secondaire comme un moyen simple d'illustrer le principe fondamental de la mécanique quantique: que tous les objets physiques, y compris la lumière, sont simultanément des particules et des vagues.
Il y a près d'un siècle, l'expérience était au centre d'un débat amical entre les physiciens Albert Einstein et Niels Bohr. En 1927, Einstein a fait valoir qu'une particule de photon ne devrait passer par une seule des deux fentes et génère une légère force sur cette fente, comme un oiseau broyant une feuille lorsqu'il passe.
Il a proposé que l'on puisse détecter une telle force tout en observant également un motif d'interférence, attrapant ainsi la nature de la particule et l'onde de la lumière en même temps. En réponse, Bohr a appliqué le principe de l'incertitude mécanique quantique et a montré que la détection du chemin du photon laverait le motif d'interférence.
Les scientifiques ont depuis effectué plusieurs versions de l'expérience à double fente, et ils ont tous, à divers degrés, confirmé la validité de la théorie quantique formulée par Bohr. Maintenant, les physiciens du MIT ont effectué la version la plus « idéalisée » de l'expérience à double fente à ce jour. Leur version dépouille l'expérience de ses éléments essentiels quantiques. Ils ont utilisé des atomes individuels comme fentes et ont utilisé des faisceaux de lumière faibles de sorte que chaque atome se dispersait sur un seul photon.
En préparant les atomes dans différents états quantiques, ils ont pu modifier les informations que les atomes ont obtenus sur le chemin des photons. Les chercheurs ont ainsi confirmé les prédictions de la théorie quantique: plus d'informations ont été obtenues sur le chemin (c'est-à-dire la nature des particules) de la lumière, plus la visibilité du modèle d'interférence était faible.
Ils ont démontré ce que Einstein s'est trompé. Chaque fois qu'un atome est « bruissé » par un photon qui passe, l'interférence des vagues est diminuée.
« Einstein et Bohr n'auraient jamais pensé que cela était possible, pour effectuer une telle expérience avec des atomes uniques et des photons uniques », explique Wolfgang Ketterle, professeur de physique de John D. MacArthur et leader de l'équipe du MIT. « Ce que nous avons fait, c'est une expérience de Gedanken idéalisée. »
Leurs résultats sont publiés dans la revue Lettres d'examen physique. Les co-auteurs du MIT de Ketterle incluent le premier auteur Vitaly Fedoseev, Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee et Jahahao Lyu, qui sont tous affiliés au département de physique du MIT, au Laboratoire de recherche de l'électronique et au Mit-Harvard Center pour les atomes ultracold.
Confinement froid
Le groupe de Ketterle au MIT expérimente les atomes et les molécules qu'ils sont super cool à des températures juste au-dessus du zéro absolue et organisent dans les configurations qu'ils limitent la lumière laser. Dans ces nuages ultracold et soigneusement réglés, des phénomènes exotiques qui ne se produisent qu'à l'échelle quantique, à atomes monomores, peuvent émerger.
Dans une expérience récente, l'équipe étudiait une question apparemment indépendante, étudiant comment la diffusion de la lumière peut révéler les propriétés des matériaux construits à partir d'atomes ultracold.
« Nous avons réalisé que nous pouvons quantifier le degré auquel ce processus de diffusion est comme une particule ou une vague, et nous avons rapidement réalisé que nous pouvons appliquer cette nouvelle méthode pour réaliser cette célèbre expérience de manière très idéalisée », explique Fedoseev.
Dans leur nouvelle étude, l'équipe a travaillé avec plus de 10 000 atomes, qu'ils ont refroidi à des températures microkelvin. Ils ont utilisé un tableau de faisceaux laser pour organiser les atomes congelés dans une configuration de réseau de type cristal uniformément espacée. Dans cet arrangement, chaque atome est suffisamment éloigné de tout autre atome qui peut efficacement être considéré comme un atome unique, isolé et identique. Et 10 000 de ces atomes peuvent produire un signal qui est plus facilement détecté, par rapport à un seul atome ou deux.
Le groupe a estimé qu'avec cet arrangement, ils pourraient briller un faisceau de lumière faible à travers les atomes et observer comment un seul photon se disperse deux atomes adjacents, comme une onde ou une particule. Cela serait similaire à la façon dont, dans l'expérience originale à double fente, la lumière passe à travers deux fentes.
« Ce que nous avons fait peut être considéré comme une nouvelle variante à l'expérience à double fente », explique Ketterle. « Ces atomes uniques sont comme les plus petites fentes que vous pourriez éventuellement construire. »
Fuzz de réglage
Travailler au niveau des photons uniques a nécessité de répéter plusieurs fois l'expérience et d'utiliser un détecteur ultrasensible pour enregistrer le motif de lumière dispersé des atomes. De l'intensité de la lumière détectée, les chercheurs pourraient directement déduire si la lumière se comportait comme une particule ou une onde.
Ils étaient particulièrement intéressés par la situation où la moitié des photons qu'ils ont envoyés se comportaient comme des vagues et se comportaient la moitié comme des particules. Ils l'ont atteint en utilisant une méthode pour régler la probabilité qu'un photon apparaisse comme une onde par rapport à une particule, en ajustant la «flou» d'un atome ou la certitude de son emplacement.
Dans leur expérience, chacun des 10 000 atomes est maintenu en place par la lumière laser qui peut être ajustée pour serrer ou desserrer la prise de la lumière. Plus un atome est maintenu vague, le plus flou, ou plus « spatialement étendu », semble-t-il.
L'atome plus flou brouille plus facilement et enregistre le chemin du photon. Par conséquent, en réglant le flou d'un atome, les chercheurs peuvent augmenter la probabilité qu'un photon présente un comportement de type particule. Leurs observations étaient entièrement d'accord avec la description théorique.
S'éloigner
Dans leur expérience, le groupe a testé l'idée d'Einstein sur la façon de détecter le chemin du photon. Conceptuellement, si chaque fente était coupée en une feuille de papier extrêmement mince qui a été suspendue dans l'air par un ressort, un photon passant par une fente devrait secouer le ressort correspondant par une certaine mesure qui serait un signal de la nature des particules du photon.
Dans les réalisations précédentes de l'expérience à double fente, les physiciens ont incorporé un tel ingrédient de printemps, et le printemps a joué un rôle majeur dans la description de la double nature du photon.
Mais Ketterle et ses collègues ont pu effectuer l'expérience sans les ressorts proverbiaux. Le nuage d'atomes de l'équipe est initialement tenu en place par la lumière laser, similaire à la conception d'Einstein d'une fente suspendue par un printemps.
Les chercheurs ont estimé que s'ils devaient supprimer leur « printemps » et observer exactement le même phénomène, cela montrerait que le ressort n'a aucun effet sur la dualité onde / particule d'un photon.
C'était aussi ce qu'ils ont trouvé. Au cours de plusieurs courses, ils ont éteint le laser en forme de ressort tenant les atomes en place, puis ont rapidement pris une mesure en un millionième de seconde, avant que les atomes ne deviennent plus flous et finissent par être tombés en raison de la gravité. Dans ce petit temps, les atomes flottaient efficacement dans l'espace libre. Dans ce scénario sans printemps, l'équipe a observé le même phénomène: la nature de l'onde et des particules d'un photon n'a pas pu être observée simultanément.
« Dans de nombreuses descriptions, les ressorts jouent un rôle majeur. Mais nous montrons, non, les ressorts n'ont pas d'importance ici; ce qui compte, ce n'est que le flou des atomes », explique Fedoseev. « Par conséquent, il faut utiliser une description plus profonde, qui utilise des corrélations quantiques entre les photons et les atomes. »
Les chercheurs notent que l'année 2025 a été déclarée par les Nations Unies comme l'année internationale de la science et de la technologie quantiques, célébrant la formulation de la mécanique quantique il y a 100 ans. La discussion entre Bohr et Einstein sur l'expérience à double fente n'a eu lieu que deux ans plus tard.
« C'est une merveilleuse coïncidence que nous puissions aider à clarifier cette controverse historique la même année que nous célébrons la physique quantique », explique le co-auteur Lee.
