Antibunching, Anticorrelation, and Single Photon Interferences

Le jour d'après
1
Photon unique, photons intriqués :
la lumière
au cœur des révolutions quantiques
2015 année de la
lumière
Paris, 8 janvier 2015
Alain Aspect , Institut d’Optique, Palaiseau
http://www.lcf.institutoptique.fr/Alain-Aspect-homepage
2
Photon unique et photons intriqués: la
lumière au cœur des révolutions quantiques
1. De Planck et Einstein au laser: la première révolution quantique
Une révolution conceptuelle: la dualité onde-particule
Une révolution technologique: la société de l'information
2. Du débat Bohr Einstein à l'information quantique
EPR, Bohr, Schrödinger, Bell
Les photons intriqués
L'intrication au coeur de l'information quantique
3. Une nouvelle révolution quantique?
Intrication et objets quantiques uniques
3
La première révolution quantique :
dualité onde particule
• Planck (1900) Einstein (1905): la lumière doit être
considérée comme formée de quanta de lumière
• Einstein (1909): la lumière est à la fois onde et particule
• Bohr (1913): quantification du mouvement
des électrons et relation fréquence énergie
raies spectrales discrètes
• De Broglie (1923): dualité onde particule pour la matière
• Schrödinger, Heisenberg (1925): un formalisme
cohérent pour la dualité onde-particule
4
Einstein 1909 : dualité onde-particule
Fluctuations du rayonnement thermique :
somme d'un terme corpusculaire et d'un terme ondulatoire
5
La première révolution quantique :
dualité onde particule
• Planck (1900) Einstein (1905): la lumière doit être
considérée comme formée de quanta de lumière
• Einstein (1909): la lumière est à la fois onde et particule
• Bohr (1913): quantification du mouvement
des électrons et relation fréquence énergie
raies spectrales discrètes
• De Broglie (1923): dualité onde particule pour la matière
• Schrödinger, Heisenberg (1925): un formalisme
cohérent pour la dualité onde-particule
6
Dualité onde-particule pour un photon unique
Source de photons
uniques
échantillon
“scanner”
piezo. x,y,
Objectif de
microscope
x 100, ON=1.4
Molécule unique,
4-niveaux (Lounis
et Moerner, 2000)
Miroir
dichroïque
Biprisme
de Fresnel
La
d’exc
Filtre diaphra
réjectif
50 μ
D1
D2
Photon unique détecté soit en D1 soit en D2, jamais des deux côtés à
la fois: Vérifié expérimentalement grâce à un circuit à coïncidences
Si on avait une onde classique, même très atténuée, on aurait un taux
de coïncidence significatif
Comportement de particule unique
7
Dualité onde-particule pour un photon unique
Source de photons
uniques
échantillon
“scanner”
piezo. x,y,
Objectif de
microscope
x 100, ON=1.4
Molécule unique,
4-niveaux (Lounis
et Moerner, 2000)
Miroir
dichroïque
Fresnel
double-prism
La
d’exc
Filtre diaphra
réjectif
50 μ
Même source de
photons uniques
CCD
camera
D1
D2
Observation à l'intersection des deux
faisceaux : franges d'interferences ?
Comportement ondulatoire… pour une particule unique
V. Jacques et al., EPJD 35, 561 (2005)
plus de détails sur http://www.lcf.institutoptique.fr/Alain-Aspect-homepage
Une révolution conceptuelle…
8
Une révolution conceptuelle,
scientifique et technologique
Un concept fructueux au coeur de la première révolution quantique:
• Compréhension de la structure de la
matière, de ses propriétés mécaniques,
électriques, de son interaction avec
la lumière
• Compréhension de propriétés "exotiques"
superfluidité, supraconductivité, condensation de Bose Einstein
• Invention de nouveaux
dispositifs:
• Laser, transistor,
circuits intégrés
• Société de l'information
et de la communication
Photon unique et photons intriqués: la
lumière au cœur des révolutions quantiques
1. De Planck et Einstein au laser: la première révolution quantique
Une révolution conceptuelle: la dualité onde-particule
Une révolution technologique: la société de l'information
2. Du débat Bohr Einstein à l'information quantique
EPR, Bohr, Schrödinger, Bell
Les photons intriqués
L'intrication au coeur de l'information quantique
3. Une nouvelle révolution quantique
Intrication et objets quantiques uniques
10
De l'article d'Einstien Podolsky
Rosen aux inégalités de Bell
EPR (1935): états présentant des
corrélations fortes à distance la
mécanique quantique n'est pas
complète
Bohr (1935): on ne peut compléter la
mécanique quantique sans altérer sa cohérence
Schrödinger (1935): entanglement (l'intrication), a
disconcerting fact : "This paper does not aim at a
solution of the paradox, it rather adds to it, if possible"
Bell (1965): la position d'Einstein conduit à des
prédictions différentes des prédictions quantiques: un
test expérimental est possible
11
Trois générations d'expériences, avec des photons
Pioneers (1972-76): Berkeley, Harvard, Texas A&M
• First results contradictory (Clauser = QM; Pipkin ≠ QM)
• Clear trend in favour of Quantum mechanics (Clauser, Fry)
• Experiments significantly different from the ideal scheme
Institut d’optique experiments (1975-82: AA, Dalibard, Grangier, Roger)
• A source of entangled photons of unprecedented efficiency
• Schemes closer and closer to the ideal GedankenExperiment
• Test of quantum non locality (relativistic separation)
Third generation experiments (1988-): Maryland, Rochester,
Malvern, Genève, Innsbruck, Los Alamos, Boulder, Urbana
Champaign…
• New sources of entangled pairs
• Closure of the last loopholes
• Entanglement at large distance
• Entanglement on demand
12
L'intrication au cœur de
l'information quantique
Des principes physiques différents conduisent à de nouveaux
concepts dans le traitement et le transport de l'information:
• Simulation et calcul quantique
(R. Feynman 1982, D. Deutsch
1985, Zoller, Hänsch et Bloch,
Blatt, Wineland… )
• Cryptographie quantique (Bennett Brassard 84, Ekert 1991)
• Téléportation quantique
(BB&al., 1993;
Innsbruck, Roma 1997)
13
Photon unique et photons intriqués: la
lumière au cœur des révolutions quantiques
1. De Planck et Einstein au laser: la première révolution quantique
Une révolution conceptuelle: la dualité onde-particule
Une révolution technologique: la société de l'information
2. Du débat Bohr Einstein à l'information quantique
EPR, Bohr, Schrödinger, Bell
Les photons intriqués
L'intrication au coeur de l'information quantique
3. Une nouvelle révolution quantique
Intrication et objets quantiques uniques
14
Une nouvelle révolution quantique
Deux concepts révolutionnaires
L'intrication
• Un concept révolutionnaire: Einstein, Schrödinger, Bohr, Bell:
démontré sur des paires de photons
• Radicalement différent de la dualité onde particule: pas de
recours possible aux images classiques dans espace ordinaire
15
Une nouvelle révolution quantique
Deux concepts révolutionnaires
L'intrication
• Un concept révolutionnaire: Einstein, Schrödinger, Bohr, Bell:
démontré sur des paires de photons
• Radicalement différent de la dualité onde particule: pas de
recours possible aux images classiques dans espace ordinaire
L'observation et le contrôle
des objets quantiques
individuels
Electrons, atomes, ions,
paires de photons, photons
uniques
échantillon
“scanner”
piezo. x,y,z
Objectif de
microscope
x 100, ON=1.4
Miroir
dichroïque
Laser
d’excitation
APD Si
Filtre diaphragme
réjectif
50 μm
Module comptage
de photon
16
La lumière au cœur des révolutions quantiques
1. De Planck et Einstein au laser: la première révolution quantique
La dualité onde-particule
La société de l'information
2. Du débat Bohr Einstein à l'information quantique
3. Une nouvelle révolution quantique?
Intrication
Objets quantiques
uniques
échantillon
“scanner”
piezo. x,y,
Objectif de
microscope
x 100, ON=1.4
Miroir
dichroïque
La
d’exc
Filtre diaphra
réjectif
50 μ
17