Emprisonner un photon: le rêve d'Einstein surpassé
Par Benje le samedi, septembre 3 2011, 23:59 - Nouvelles Scientifiques - Lien permanent
Source: CNRS
Pour la première fois une expérience de stabilisation constante d'un
état quantique a été réalisée par une équipe du laboratoire Kastler
Brossel (CNRS/ENS/Collège de France/UPMC-Université Pierre et Marie
Curie) sous la direction de Serge Haroche(1). Les chercheurs ont réussi à maintenir un nombre constant de photons au sein d'une cavité micro-onde de haute qualité. Ils décrivent les résultats de leur étude dans la revue en ligne Nature du 1er septembre 2011.
Le photon, grain élémentaire de lumière, n'est usuellement observable
que lorsqu'il disparaît. L'œil absorbe les photons en les détruisant et
traduit cette information à mesure qu'elle est enregistrée. Malgré
tout, cette destruction n'est pas indispensable. Il y a 4 ans l'équipe
du laboratoire Kastler Brossel a réussi une grande première: observer,
des centaines de fois, un seul et même photon micro-onde piégé dans une boîte.
Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs vont encore plus loin:
réussir à stabiliser un nombre de photons donné dans une "boîte à
photons", cavité formée de deux miroirs supraconducteurs. C'est la
première expérience complète de stabilisation quantique. Les
stabilisations, en général, assurent le fonctionnement des systèmes qui
nous environnent. Dans le cas d'un four, sa température
de chauffe est assujettie à une valeur de consigne: lorsque la
température idéale n'est pas atteinte, le four continue de chauffer puis
maintient son état d'après les indications du thermostat.
Le transfert de ces concepts au monde microscopique quantique se heurte à
un obstacle: la mesure -le thermomètre- change l'état du système. La
stabilisation quantique consiste en une mesure réalisée par l'injection
d'atomes, sondes ultrasensibles, dans la cavité. Cette mesure ne fixe
pas le nombre de photons, mais donne sur celui-ci une information floue.
Comme toute mesure quantique, elle modifie cependant l'état de la
cavité. Un contrôleur – le thermostat –, prend en compte cette
information ainsi que la perturbation de la mesure et pilote une source
micro-onde classique – les résistances du four. Ainsi, la cavité est
amenée ou ramenée vers un état où le nombre de photons a exactement la
valeur prescrite.
Einstein avait un rêve, celui d'emprisonner un photon dans une boîte pendant un temps de l'ordre de la seconde.
Cette stabilisation quantique permet aujourd'hui au groupe du LKB
d'aller plus loin dans la réalisation de ce rêve en maintenant de façon
permanente un nombre de photons choisi dans la boîte. Cette expérience
est une étape importante vers le contrôle d'états quantiques complexes.
Note: (1) En collaboration avec le Centre Automatique et systèmes, Mathématiques et systèmesdes Mines ParisTech et l'INRIA
Référence: Real-time quantum feedback prepares and stabilizes photon number states,
C. Sayrin, I. Dotsenko, X. Zhou, B. Peaudecerf, T. Rybarczyk, S.
Gleyzes, P. Rouchon, M. Mirrahimi, H. Amini, M. Brune, J.M. Raimond et
S. Haroche, 1er septembre 2011.