doublement de fréquence

Un orchestre sans chef : chaque musicien s'accorde sur son voisin, et une mélodie harmonieuse naît ainsi. Dans le monde des aimants microscopiques, le rôle de cet orchestre est tenu par une minuscule bille de néodyme qui flotte au-dessus d'un film supraconducteur.

Sur la table repose un mille-feuille d'écailles de nitrure de bore hexagonal, un matériau qui ressemble au graphite mais composé d'atomes de bore et d'azote. On transfère délicatement une écaille sur une autre, et dans la zone où elles se chevauchent, après un passage au four sous oxygène, naissent de brillantes sources de lumière uniques.

Sur une chaîne de montage, les pièces sortent une par une à chaque cycle. Si le cycle est court et que le taux de défauts est faible, la ligne tourne vite.

La cible gazeuse ressemble à un entonnoir : plus ses parois sont raides, plus le flux est important. Seulement, dans cet entonnoir, ce n'est pas de l'eau qui s'écoule, mais de la lumière ultraviolette, qui naît lorsqu'une impulsion laser puissante traverse un nuage d'argon.

Le miroir fonce à près de quarante mille kilomètres par seconde. La lumière qui l'atteint rebondit, mais transformée — comme une balle renvoyée par une raquette en mouvement. C'est un tel miroir que des scientifiques ont construit à l'intérieur d'un fil de verre ultra-fin rempli d'hydrogène.

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 lumière très faible, les photons arrivent un par un, comme les gouttes d'un robinet qui fuit — jamais par paires. Cet effet, prédit par Roy Glauber et confirmé par Leonard Mandel, prouve directement que la lumière est composée de particules.

Deux nuages d'atomes ultra-froids, presque figés à une température de quelques nanokelvins, se mélangent dans un piège. L'un est composé d'atomes légers, l'autre d'atomes lourds. Ils se repoussent différemment.

La lumière est par nature symétrique : dans un canal ouvert, elle se propage dans les deux sens avec la même intensité. Pour la faire avancer principalement dans une direction, les physiciens ont traditionnellement recours aux champs magnétiques.

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.

Deux jets d'atomes parallèles, émis depuis des condensats de Bose-Einstein, entament leur chute libre. Dans l'image classique, leur séparation reste constante — comme deux skieurs glissant sur une pente parfaitement lisse.

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.

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.

La lumière d'une ampoule, ou même d'un laser ordinaire, évoque la foule à la sortie du métro : les gens avancent en désordre, tantôt denses, tantôt espacés. Les physiciens appellent ce comportement le bruit de grenaille — ce sont les fluctuations aléatoires du nombre de particules qui arrivent par seconde.

Une feuille de papier ne pèse presque rien, mais si l'on empile cent feuilles, on obtient une liasse bien tangible. C'est à peu près ce qu'ils ont fait avec un matériau qui excelle à convertir une couleur de lumière en une autre, mais seulement lorsqu'il a l'épaisseur d'un atome. Une seule couche, c'est comme une seule feuille : cela fonctionne joliment, mais c'est trop fin pour produire beaucoup de lumière.

Dans une pièce sombre, un laser infrarouge émet une impulsion, et un fragment de poudre noire de K3C60 devient, pendant une fraction de seconde, un conducteur sans résistance. La lumière frappe à une fréquence de 10 térahertz — mille fois plus rapide que le fonctionnement d'un four à micro-ondes.

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.

Deux faisceaux laser de couleurs différentes tombent sur un cristal et, à l'intérieur, naissent parfois des triplés de particules de lumière, comme trois pièces qui sortent de la même fente d'un distributeur. Ce processus a été pour la première fois rendu suffisamment efficace : chaque seconde, on obtenait 11,6 triplés. Les faisceaux étaient vert et infrarouge invisible.

Un flash laser d'une durée de 50 femtosecondes, c'est comme un coup de feu qui durerait un milliardième de seconde. Pendant ce temps, la lumière ne parcourt que 15 micromètres – moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.

La lumière dans une fibre optique est un flux de photons, et pour la communication quantique, il faut des photons uniques, que l'on peut envoyer un par un. Mais les faire sortir rapidement tout en les rendant indiscernables est un défi.

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.

Un faisceau laser traversant un cristal spécial se transforme de lui-même en « chat de Schrödinger » — un mélange de deux états. Erwin Schrödinger a imaginé ce paradoxe pour un atome, et voilà que les physiciens l'observent pour un flux entier de photons. La lumière ressemble à une compagnie de soldats sur la place d'armes.

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.

Les photons intriqués sont deux messagers qui marchent au pas. Dans un matériau, leur synchronisation est perturbée. La nature de la perturbation révèle ce qu'ils ont rencontré : un embranchement qui a séparé leurs routes, ou un manège magnétique qui a tordu leur foulée. C'est ainsi que fonctionne la méthode BELS.

Une boîte quantique de la taille d'un virus, prise en sandwich entre deux miroirs, donne naissance à deux photons lors d'un bref éclair de lumière.

Un minuscule pont de diamant vibre si fort qu'il se met à « chanter » sur de nombreuses fréquences à la fois. Auparavant, de telles oscillations se freinaient d'elles-mêmes : plus le résonateur s'agitait, plus il était difficile de lui ajouter de l'énergie. Les physiciens ont trouvé une faille dans cette règle.

Dans une pièce sombre, un atome et la lumière sont enfermés ensemble dans une boîte à miroirs. La boîte est si petite que l'atome ne peut pas simplement libérer la lumière – ils échangent constamment de l'énergie, comme deux danseurs qui ne se lâchent pas les mains.

Le bord d'un aimant agit comme le sillet d'une guitare : une corde pincée tout près du bord sonne différemment, avec un ensemble d'harmoniques plus riche. C'est à peu près ce que font les ondes magnétiques dans une fine bande de nickel et de fer.

Le faisceau d'un laser frappe un cristal transparent, et celui-ci répond par tout un arc-en-ciel — de l'infrarouge à l'ultraviolet invisible.

Une lampe ordinaire émet de la lumière dans toutes les directions, et il est impossible de prédire quand le prochain photon sortira. Or, les technologies quantiques nécessitent une lumière bien différente : des photons uniques, émis un par un, comme des lettres glissant par la fente d'une boîte aux lettres.

La lumière blanche ordinaire est un mélange de toutes les couleurs à la fois, comme le bruit d'une foule où chacun parle à sa fréquence. Les scientifiques, eux, ont besoin d'une lumière où les fréquences sont alignées avec précision, comme les touches d'un piano où chaque note sonne séparément et exactement.

Un morceau de semi-conducteur ordinaire ne change que faiblement la couleur de la lumière qui le traverse. Pendant des décennies, les physiciens ont contourné cette limitation en plaçant le cristal dans un environnement astucieux, mais le matériau lui-même restait le même.

Lorsque deux faisceaux lumineux se rencontrent dans un cristal, ils peuvent engendrer un troisième faisceau avec une fréquence différente. Pour que ce processus soit efficace, il faut que les ondes marchent au même pas, comme deux personnes qui marchent côte à côte sans se désynchroniser.

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.

Un laser puissant frappe un semi-conducteur, et celui-ci répond par une lumière à de nombreuses fréquences — telle une corde qui vibre en un chœur d'harmoniques. Auparavant, on utilisait cela en spectroscopie pour observer des processus ultrarapides.

Si l'on pouvait mettre la lumière en bouteille, les scientifiques auraient une chaîne de production idéale : une bouteille pour un photon, sans une goutte à côté.

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.

Une impulsion laser pénètre dans une minuscule cavité en cristal transparent. À l'intérieur, la lumière rebondit entre les miroirs, et parfois un photon se divise en une paire : l'un part d'un côté, l'autre de l'autre. L'un devient le signal, l'autre une « sonnerie » qui annonce : le photon unique est prêt.

La lumière infrarouge d'une longueur d'onde d'environ trois micromètres est la plage de travail pour l'identification des molécules : chaque molécule absorbe la lumière à ses fréquences caractéristiques, laissant des « empreintes digitales ».

La lumière d'une ampoule ordinaire est un flux de photons individuels, comme des gouttes qui tombent d'un robinet. Mais il existe une lumière où les photons vont par paires, comme des jumeaux qui marchent ensemble. Cette lumière groupée, on souhaitait depuis longtemps l'utiliser pour mesurer des distances et photographier des objets cachés derrière un coin.