Effet de regroupement anormal dans lequel tous les photons fusionnent en deux faisceaux de sortie. Crédit : Ursula Cardenas Mamani
Dans un article récemment publié dans Photonique naturelledes scientifiques du Centre d’Information et de Communication Quantique – École Polytechnique de Bruxelles de l’Université Libre de Bruxelles rapportent la découverte d’un contre-exemple inattendu qui remet en question la compréhension conventionnelle de photon regroupement.
Le principe de complémentarité de Niels Bohr, un concept fondamental de la physique quantique, stipule essentiellement que les objets peuvent présenter un comportement semblable à celui d’une particule ou d’une onde. Ces deux descriptions mutuellement exclusives sont bien illustrées dans l’expérience emblématique à double fente, où les particules heurtent une plaque contenant deux fentes.
Si la trajectoire de chaque particule n’est pas surveillée, on observe des franges d’interférence ondulatoires lors de la collecte des particules après leur passage dans les fentes. Au contraire, si l’on observe les trajectoires, alors les franges disparaissent et tout se passe comme s’il s’agissait de boules de type particule dans un monde classique.
Comme l’a inventé le physicien Richard Feynman, les franges d’interférence proviennent de l’absence de quel chemin information, donc les franges doivent nécessairement disparaître dès que l’expérience permet d’apprendre que chaque particule a emprunté l’un ou l’autre chemin à travers la fente gauche ou droite.
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, à savoir les photons. Cela s’accompagne d’un autre phénomène remarquable : celui de regroupement de photons. En gros, s’il n’existe aucun moyen de distinguer les photons et de savoir quel chemin ils suivent dans une expérience d’interférence quantique, alors ils ont tendance à rester ensemble.
Ce comportement peut déjà être observé avec deux photons frappant chacun un côté d’un miroir semi-transparent, qui divise la lumière entrante en deux chemins possibles associés à la lumière réfléchie et transmise. En effet, le célèbre effet Hong-Ou-Mandel nous apprend ici que les deux photons sortants sortent toujours ensemble du même côté du miroir, ce qui est une conséquence d’une interférence ondulatoire entre leurs trajectoires.
Cet effet de regroupement ne peut pas être compris dans une vision du monde classique où nous considérons les photons comme des boules classiques, chacune empruntant un chemin bien défini. Ainsi, logiquement, on s’attend à ce que le regroupement devienne moins prononcé dès que nous sommes capables de distinguer les photons et de retracer les chemins qu’ils ont empruntés.
C’est précisément ce qu’on observe expérimentalement si les deux photons incidents sur le miroir semi-transparent ont par exemple une polarisation distincte ou des couleurs différentes : ils se comportent comme des boules classiques et ne se regroupent plus. Cette interaction entre le regroupement de photons et la distinguabilité est communément admise pour refléter une règle générale : le regroupement doit être maximum pour les photons totalement indiscernables et diminuer progressivement lorsque les photons deviennent de plus en plus distinguables.
Contre toute attente, cette hypothèse courante s’est récemment révélée fausse par une équipe du Centre d’information et de communication quantiques (École polytechnique de Bruxelles de l’Université libre de Bruxelles) dirigée par le professeur Nicolas Cerf, assisté de son doctorat. Benoît Seron, étudiant, et son postdoctorant, Dr Leonardo Novo, aujourd’hui chercheur au Laboratoire international ibérique de nanotechnologie, Portugal.
Ils ont envisagé un scénario théorique spécifique dans lequel sept photons heurtent un grand interféromètre et ont étudié les cas où tous les photons se regroupent sur deux chemins 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 totalement impossibles à distinguer, ce qui signifie que nous n’obtenons aucune information sur leurs trajectoires dans l’interféromètre. De manière assez surprenante, les chercheurs ont découvert l’existence de certains cas dans lesquels le regroupement de photons est considérablement renforcé – au lieu d’être affaibli – en rendant les photons partiellement distinguables via un motif de polarisation bien choisi.
L’équipe belge a tiré parti d’un lien entre la physique des interférences quantiques et la théorie mathématique des permanentes. En exploitant une conjecture récemment réfutée sur les matrices permanentes, ils pourraient prouver qu’il est possible d’améliorer encore le regroupement de photons en ajustant avec précision la polarisation des photons.
En plus d’être intrigant pour la physique fondamentale de l’interférence photonique, ce phénomène de regroupement anormal Cela devrait avoir des implications pour les technologies photoniques quantiques, qui ont connu 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, interférés via des circuits optiques complexes et comptés avec des détecteurs résolvant le nombre de photons. Comprendre les subtilités du regroupement de photons, lié à la nature bosonique quantique des photons, constitue donc une étape importante dans cette perspective.
