lumière cohérente

Trois voix qui se fondent en un seul accord. En physique des matériaux quantiques, cette image prend un sens littéral : trois couches de graphène, séparées par de minces espaceurs, forcent les électrons et les trous de différentes couches à se déplacer comme un seul liquide.

Dans la fibre optique, les données voyagent à la vitesse de la lumière, mais la route n'est pas idéale : le signal se brouille, comme une voix dans un long couloir. Plus la vitesse est élevée et la distance grande, plus les distorsions sont fortes. Habituellement, on les corrige avec de l'électronique, mais celle-ci ne suit pas le rythme de la lumière.

Dans une salle de mille spectateurs, les applaudissements se fondent en un bruit collectif, mais si quelqu'un perd le rythme, une onde parcourt l'assistance. Le monde quantique fonctionne de la même manière : les atomes piégés peuvent se comporter comme un tout cohérent ou se disperser en individus indépendants.

Une caméra observe deux étincelles lointaines. Elles sont si proches l'une de l'autre qu'elles se fondent en une seule petite tache floue. Il semble impossible de les distinguer séparément — la limite classique de la microscopie optique est dépassée.

Un orchestre sans chef, où les musiciens s'entendent à travers un mur commun. C'est à peu près ainsi que fonctionne un nouveau type de laser : quelques atomes (les émetteurs) sont placés le long d'un guide d'onde — une fine piste pour la lumière sur une puce. La lumière de chaque atome se propage le long de cette piste et influence ses voisins.

Un pendule qui oscille tout seul, sans qu'on ait besoin de le remonter : dans le monde quantique, ces « pendules » sont appelés cristaux temporels. Leur mouvement rythmique naît spontanément et ne s'amortit pas. Mais jusqu'ici, il était presque impossible de contrôler ce rythme : toute intervention risquait de détruire le fragile équilibre.

Un interprète enregistre une conversation de plusieurs heures. S'il tente de garder en tête tout le dialogue d'un bloc, il finira inévitablement par déformer les détails. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les observatoires gravitationnels : ils écoutent la « conversation » de corps massifs qui se rapprochent en spirale.

La lumière d'une ampoule ordinaire semble complètement désordonnée : ses ondes oscillent de manière incohérente, comme une foule où chacun va dans sa propre direction. On appelle cela la lumière incohérente.

La lumière peut être non seulement un faisceau, mais aussi une règle extrêmement précise. Si l'on prend des impulsions très courtes – plus courtes qu'un battement d'aile de mouche – et qu'on les émet à la suite, on obtient un peigne optique : un ensemble de couleurs espacées à intervalles strictement égaux, comme les dents d'un peigne.

Un régiment de soldats défile sur la place d'armes. Tant que chacun suit le pas, le mouvement reste net et coordonné. Mais dès que quelqu'un casse le rythme, la cohésion se perd. Dans le monde microscopique, les électrons jouent ce rôle de troupe : lorsque leurs oscillations sont synchrones, la matière émet une raie fine et nette.

Le pendule oscille avec une telle précision que, s'il comptait les secondes depuis le Big Bang, il n'aurait accumulé qu'une demi-seconde d'erreur à ce jour. Telle est la stabilité du nouveau laser ultraviolet portable — le cœur des horloges atomiques à aluminium.

Deux musiciens dans des pièces différentes jouent la même note. Le son doit être si identique que l'auditeur ne puisse pas dire qui joue. Dans le monde quantique, ce rôle est tenu par les sources de photons uniques — des particules de lumière qui doivent être indiscernables les unes des autres.

Un laser ordinaire émet des raies fines, comme une corde qui ne joue qu'une seule note. Pour la spectroscopie, c'est gênant : si une substance absorbe la lumière entre les raies, on peut ne pas la remarquer.

La flamme d'une bougie vacille sous un courant d'air, mais ne s'éteint pas : la langue de feu ne fait que changer de forme un instant puis revient. C'est à peu près ce que font les skyrmions optiques — de minuscules tourbillons dans le champ d'un faisceau, rappelant des remous en spirale.

Une pierre tombe dans un étang. Les rides se propagent, s'amortissent — et voilà que la surface redevient lisse. Mais que se passe-t-il si l'étang n'a ni rives, ni fond, ni même de taille caractéristique de vague ? C'est précisément dans un tel monde — un monde sans échelle — que vivent les systèmes quantiques lorsqu'ils sont entourés d'un environnement qui ne privilégie aucune longueur ni énergie.

Les atomes d'un faisceau se déplacent à différentes vitesses, comme des coureurs sur un stade. Une impulsion laser ordinaire ne pousse que ceux qui courent à une seule vitesse, tandis que la nouvelle agit comme un entraîneur qui donne des ordres à tout le groupe à la fois. Cette approche implique davantage d'atomes dans la mesure.

Une boîte quantique, c'est comme une lampe unique qui s'allume et s'éteint sur commande d'un laser, émettant exactement un photon à la fois. Mais cette lumière a une particularité : les photons ne s'entendent pas entre eux, ils volent indépendamment, comme des gouttes aléatoires d'un robinet.

La lumière ordinaire, c'est comme une foule sur une place : chaque photon se déplace à sa guise, entre en collision et repart. Mais dans certains milieux, les photons, telle une meute de chiens, se mettent à courir ensemble — ils se regroupent.

Dans un résonateur supraconducteur, la lumière ne se contente pas de se réfléchir : elle enlace le qubit si étroitement que leur danse commune ne peut plus être décrite par les vieux manuels.

Un faisceau laser régulier, c'est comme une corde tendue : si elle vibre ne serait-ce qu'un peu, la musique devient cacophonie. Dans un ordinateur quantique, le laser maintient les atomes dans un piège, et toute vibration de fréquence casse le calcul.

À l'intérieur d'un cristal de nitrure de bore, on trouve parfois des défauts – des endroits où des atomes sont manquants ou mal placés. L'un de ces défauts, le centre B, sait émettre de la lumière : il absorbe de l'énergie et la restitue sous la forme d'un unique photon. C'est comme une petite ampoule qui ne s'allume que lorsqu'on le lui demande, sans émettre de lumière parasite.

Deux horloges dans des pièces différentes doivent tic-tac à l'unisson. Habituellement, on envoie des impulsions lumineuses intenses ou des paires de photons qui arrivent exactement l'un après l'autre. Mais le signal peut être si faible que les photons arrivent à peine.

Un laser ordinaire ressemble à un chœur où chacun chante pour soi : le son est puissant, mais avec des aspérités inévitables. Dans le nouveau laser quantique, les chanteurs s'écoutent et ajustent leurs voix.

La lumière du soleil est un torrent impétueux qui charrie des paires de gouttelettes inséparables. Voilà à quoi ressemble l'intrication quantique : deux particules si liées que l'agitation de l'une se répercute instantanément sur l'autre.

Un laser à électrons libres ordinaire ressemble à un instrument de musique à une seule corde : il ne peut jouer qu'une seule note tant qu'on ne modifie pas sa conception. Pour obtenir une autre longueur d'onde, il faut régler les aimants ou accélérer davantage les électrons. C'est coûteux et encombrant.

La lumière d'une simple ampoule se disperse généralement dans toutes les directions, et la capter en quantités exactement égales dans plusieurs canaux relève du casse-tête. Dans ces nouveaux travaux, la lumière est divisée en neuf faisceaux identiques sans une seule lentille ni miroir.

Sur une paillasse de laboratoire, une pince optique — une main invisible qui maintient en l'air une sphère de verre de la taille d'une bactérie. À côté, une cavité à miroirs où la lumière rebondit entre deux parois réfléchissantes.

La lumière d'une molécule unique, c'est comme une voix solitaire dans un immense chœur. Pour l'entendre, il ne faut pas un microphone, mais un instrument subtil qui capture chaque photon et note l'heure de son arrivée.

Un laser ordinaire amplifie la lumière en un faisceau intense. Si l'on inverse ce processus, on obtient un antilaser — un dispositif qui aspire la lumière sans laisser de résidu. Mais une telle machine est capricieuse : il suffit d'un léger désordre pour que l'absorption échoue. Des physiciens ont trouvé le moyen de rendre un antilaser invulnérable.

Un accordeur de piano dans une salle bruyante n'écoute pas tous les sons à la suite : il isole une corde parmi des dizaines. Le nouveau radar laser résout un problème similaire : parmi la multitude de rayons réfléchis, il trouve ceux qui portent l'information sur la vibration de la cible.

Un laser à fibre à rétroaction aléatoire est un fil de verre très fin dans lequel la lumière se propage, mais se réfléchit non pas sur des miroirs, mais sur les infimes irrégularités de la fibre elle-même. Un tel laser ne produit pas un faisceau régulier : sa lumière tremble et scintille, comme la flamme d'une bougie dans un courant d'air.

Les dispositifs quantiques sont généralement conservés dans des cryostats, de grands thermos où la température est plus basse que dans l'espace interstellaire. Un ion d'erbium piégé dans une minuscule cavité sur une puce en silicium brise cette tradition.

Le pointeur laser éclaire d'une tache régulière : toutes ses ondes lumineuses marchent au pas, comme des soldats en parade. On appelle cette lumière cohérente. Mais dans la nature et dans la technique, on rencontre une autre lumière — « ébouriffée », dont les ondes ne sont pas synchronisées, comme une foule sur un marché. On l'appelle partiellement cohérente.

À l'intérieur d'une minuscule cavité miroir, plus petite que l'épaisseur d'un cheveu, la lumière est piégée et se réfléchit de nombreuses fois sur les parois. Si l'on y place une substance capable d'absorber et d'émettre de la lumière, les particules de lumière (photons) se « vêtent » d'excitations de la matière — c'est ainsi que naissent les modes polaritoniques.

Par sa gravité, le Soleil crée un verre à pied invisible dans lequel la matière noire d'une variété particulière — ultra-légère — ne clapote pas de manière chaotique, mais occupe des marches d'énergie strictes, comme des couches de liquide transparentes.

On peut faire en sorte que la lumière d'une même source « se rencontre » elle-même, et alors des franges apparaissent sur l'écran, comme les ondulations provoquées par deux cailloux jetés dans l'eau.

Un tourniquet ne laisse passer que dans un sens, et en arrière, pas un pas. Les physiciens ont appliqué un principe similaire sur une minuscule puce semi-conductrice pour des photons uniques, les particules de lumière.

La lumière ordinaire se disperse dans toutes les directions, mais des physiciens l'ont transformée en une sorte de tapis roulant : un flux unidirectionnel qui ne fait pas demi-tour. Pour cela, ils ont fait passer deux faisceaux opposés à travers un nuage d'atomes de Rydberg, gonflés jusqu'à la taille d'une minuscule poussière.

La lumière du soleil, collectée par une lentille de Fresnel et acheminée à travers 20 mètres de fibre plastique, avait une puissance de seulement 3 microwatts, soit un million de fois moins qu'un pointeur laser typique. Cela a suffi pour que naissent dans le cristal non linéaire des paires de photons liés par leur position.