Compter la lumière jusqu'à dix mille express
Vous versez de l'eau dans un verre, mais vous voulez obtenir exactement un million de gouttes — pas approximativement, mais précisément. Un robinet ordinaire déverse un jet où le nombre de gouttes varie toujours. Dans le monde quantique, c'est le même problème avec les photons : un laser émet une lumière où le nombre de particules fluctue comme une foule sur une place. Or, pour de nombreuses applications — des mesures ultra-précises aux ordinateurs quantiques — on a besoin d'états avec un nombre de photons parfaitement défini, les fameux états de Fock.
Auparavant, on les obtenait de deux manières. La première consistait à attendre un événement aléatoire où le nombre de photons souhaité se trouve naturellement dans le faisceau. La seconde, à contrôler astucieusement le système en ajustant constamment les paramètres. Les deux voies sont pénibles : soit la probabilité de succès est minuscule, soit le contrôle est d'une complexité redoutable. Les auteurs de ces nouveaux travaux proposent une troisième voie : un protocole de mesure adaptatif. Le système quantique (la lumière dans une cavité) est couplé à un minuscule capteur — un qubit auxiliaire. On effectue une série de mesures sur le qubit, mais pas identiques : l'intervalle entre les mesures dépend du résultat précédent. C'est un peu comme jouer à « chaud-froid » : à chaque étape, on apprend si l'on se rapproche du but, et on ajuste le pas suivant.
Dans les calculs sur le modèle de Jaynes-Cummings (la lumière interagit avec le qubit), une grande impulsion cohérente — grosso modo, un faisceau laser — se transforme presque à coup sûr en état de Fock avec une dizaine de milliers de photons en seulement dix rounds de mesures. La fidélité moyenne est d'environ 87 %. Si l'on vise une précision supérieure à 99 %, on peut obtenir avec une probabilité de 35 % un état avec un nombre de photons compris entre 20000 − √20000 et 20000 + √20000. C'est un énorme pas en avant par rapport aux tentatives précédentes.
L'intérêt pratique est considérable. Les grands états de Fock constituent une ressource pour la métrologie quantique : ils permettent de mesurer des distances, des champs et des forces avec une précision inaccessible en physique classique. Et dans le calcul quantique, de tels états servent de porteurs d'informations protégées contre les erreurs. Le nouveau protocole ne nécessite pas d'équipement exotique — il suffit d'une cavité, d'un qubit et de mesures standard. Cela rapproche le jour où les dispositifs quantiques avec des états de Fock macroscopiques deviendront des outils courants.
Ainsi, un faisceau lumineux, semblable à une foule désordonnée, se transforme en une poignée de sable dont chaque grain a été compté individuellement.
Pour mesurer la différence : dans un faisceau laser intense, le nombre de photons par seconde est d'environ $10^{16}$, mais il n'est jamais connu avec précision. Un état de Fock avec 10 000 photons, c'est comme une poignée de sable où chaque grain a été compté individuellement.
Dans le roman « Les aveugles » d'Arthur Koestler, les héros tentent d'atteindre la connaissance absolue mais se heurtent à l'incertitude. Ici, au contraire, les scientifiques apprivoisent l'incertitude, transformant le monde probabiliste des photons en un royaume de nombres exacts.