Diapositive 1

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
« Scandale » d’une courbe en cloche décrivant un phénomène très simple, inexplicable par la physique classique :
la distribution spectrale du rayonnement thermique
= lumière émise par un corps matériel, en
équilibre thermique à la température T
« Naissance » du photon
- Puissance d’une analogie Quantification des
« échanges d’énergie »
Planck (1900)
E  n  h
Analogie avec une autre courbe en cloche
distribution des vitesses des molécules
dans un gaz
Einstein (1905)
h  6.63 10 34 J.s
  fréquence de l' onde
n  un nombre entier
Equantum  h
h  6.63 10 34 J.s
  fréquence de l' onde
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 !
Dualisme onde-corpuscule
- Expérience des fentes d’Young (1804) Einstein : Expérience compatible avec la notion de « photon » ?
Photons individuels
?
Chaque photon se comporte-t-il comme une boule de billard ?
Dualisme onde-corpuscule
- Expérience des fentes d’Young à un photon -
Grangier (1986), Roch (2005)
Dualisme onde-corpuscule
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.
Principe de superposition
- Expérience des fentes d’Young -
Expérience de pensée :
Test de Complémentarité
Einstein et Bohr à Solvay
(1927)
Idée maîtresse : L’intrication (entre particule et la fente) tue les interférences
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
Les ondes de De Bloglie
- Ondes de matières -
Louis De Broglie (1923)
A toute particule matérielle de masse m et
d’impulsion p  mv , on peut associer une onde de
longueur d’onde :

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,
 estime et ma sympathie. »
veuillez lui témoigner toute mon
Utilisation des ondes de De Bloglie
- Microscopie électronique Le pouvoir de résolution d’un microscope est limité par la longueur d’onde qu’on utilise
Microscopie optique :
En lumière visible,
  380 nm ; 800nm
 Microscope optique limité à une fraction de micromètre
Microscopie électronique :
 Détails beaucoup plus fins
S. Borensztajn, CNRS
Structure de la matière
- Spectroscopie atomique -
Atome hydrogenoïde :
Noyau + 1 e-
Condition de « quantification » :
L’onde « retombe sur elle-même » après un tour
ndB  2rorbite
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 ?
Le monde quantique
- Où çà ? - La physique quantique couvre plus de 60 ordres de grandeur !
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
Supercordes
Noyaux, radioactivité
Energie nucléaire
Planètes, étoiles
Atomes
Monde macroscopique
Galaxies
Molécules biologiques
- 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 :
Moment magnétique de
l’électron en
électrodynamique
quantique
théorie
expérience
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
Le monde quantique
- Place de l’expérience de pensée -
Dans tous ces dispositifs, la logique étrange des superpositions reste voilée.
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
Schrödinger savait que des particules individuelles pouvaient être détectées, mais,
disait-il, c’était par des obervations « post mortem », qui détruisaient l’objet
observé…
«... 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
L’étrangeté du monde quantique ne rend pas tout ce qui est étrange quantique !
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 ? Serge Haroche
David J. Wineland
ENS & Collège de France (Paris)
NIST & University of Colorado
(Boulder)
Piéger un photon et l’observer
sans le détruire, avec des atomes
Piéger un atome sans contact avec
la matière, avec de la lumière
« Des méthodes expérimentales révolutionnaires qui
permettent la mesure et la manipulation de systèmes
quantiques individuels »
Comment « observer » le monde quantique ?
- La physique autorise une observation moins brutale ! Détection « douce » : Mesure Quantique Non Destructive (QND)
Il faut déjà réussir à piéger un photon !
« Boîte à photons » :
2.8 cm
- Miroirs supraconducteurs (Niobium)
- Haute précision : Rugosité locale = 10 nm
- Grande finesse
5 cm
Comment « observer » le monde quantique ?
- L’interaction lumière/matière -
Rappel : Soit un atome

Etat Superposition
 :
e
51 oscillations
g
50 oscillations
e g
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.
// Aiguille d’horloge sur un cadran (« électron-aiguille »)
Comment « observer » le monde quantique ?
- L’interaction lumière/matière En présence de photons (non-résonnants) la fréquence de l’horloge est
légérement modifiée, ce qui retarde l’horloge.
Light - shift
C. Cohen-Tannoudji
(Nobel 1997, ENS)
Comment « observer » le monde quantique ?
- L’interaction lumière/matière -
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 -
• Mort d’un photon
1 séquence
1
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Temps
(s)
Time (s)
• 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.
Comment « observer » le monde quantique ?
- Non-déterminisme -
• Mort d’un photon
5 séquences
1
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Temps
(s)
Time (s)
• 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.
Comment « observer » le monde quantique ?
- Non-déterminisme -
• Mort d’un photon
15 séquences
1
théorie
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Temps (s)
• 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.
Comment « observer » le monde quantique ?
- Non-déterminisme -
• Mort d’un photon
904 séquences
1
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Time (s)
Temps
(s)
• 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.
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 -
Mesures répétées de
n=5 photons
Première
mesure:
résultat
aléatoire:
n=5 dans
ce cas
photons
Nombre
of photons
number de
5
TFock ( n ) 
4
Tcav
n ph
3
Sauts quantiques aléatoires
2
1
0
0
100
200
300
400
time (ms)
Temps
(ms)
500
600
700
C. Guerlin et al, Nature, 448, 889
L’évolution est due aux pertes de la cavité.
Observation de sauts quantiques dus à l’absorptions des photons
Retour sur cette histoire de Chat…
- Ou pourquoi les portes sont ouvertes OU fermées -
TFock ( n ) 
Tcav
n ph
« Curiosity kills the cat », mais ce n’est pas tout…