indiscernabilité des photons

La lumière qui n'atteint pas la caméra laisse pourtant sa trace sur elle. C'est ainsi que fonctionne la nouvelle méthode de prise de vue : on éclaire l'objet avec une couleur, et l'image est assemblée à partir d'une autre. Dans le cristal, les ondes lumineuses se mélangent, et l'information sur l'invisible passe au faisceau visible.

Sur le mur, des bandes claires et sombres. Voilà à quoi ressemble la lumière qui s'annule elle-même. Dès le XVIIe siècle, Christiaan Huygens avait suggéré que la lumière était une onde.

Le monde quantique est plein d'étranges connexions. Deux particules peuvent se retrouver « intriquées » : l'état de l'une influence instantanément l'autre, même si des kilomètres les séparent. Mais comment savoir si elles sont réellement intriquées ?

Un filigrane délicat sur du papier humide, et une vitre embuée devant les yeux. C'est à peu près à cela que ressemble la lecture des états quantiques de la lumière : les fragiles motifs de photons sont déformés par les pertes, et les détecteurs ne capturent qu'une petite partie du signal.

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.

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.

Une puce de verre avec 128 guides de lumière fonctionne comme un flipper quantique. Au lieu de billes, des photons ; au lieu de flippers, des micro-chauffages qui modifient les trajectoires à la volée. La tâche est simple : lancer jusqu'à quatre particules identiques et observer où elles atterrissent.

Dans les sous-sols de quatre instituts européens se trouvaient sept dispositifs — chacun comparable à un diapason d'une précision inimaginable.

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.

Deux photons s'échappent d'un même point dans la poitrine d'un patient. Ce sont des jumeaux : si l'on modifie l'un, on connaît instantanément l'autre. Cette relation est appelée intrication quantique. Lors d'un examen TEP, ces paires naissent à l'intérieur du corps lorsque la substance radioactive injectée rencontre les électrons des tissus.

Une molécule de deutérium — deux atomes d'hydrogène lourd — se disloque sous l'impact d'un laser. Un électron est arraché, laissant derrière lui un ion. À cet instant, ils sont encore liés : la direction de l'un révèle immédiatement où est parti l'autre. Cette liaison s'appelle l'intrication quantique.

Un gardien doit vérifier cinq pièces, mais il ne peut pas entrer. Il frappe à la porte et écoute : le silence signifie que quelqu'un est à l'intérieur, tandis que l'écho indique que la pièce est vide.

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.

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.

Les technologies quantiques utilisent souvent la lumière, non pas comme une simple ampoule, mais comme support d'information. Une des méthodes consiste à coder les données dans la fréquence : chaque « couleur » du photon peut être une cellule de mémoire distincte.

Au XIXe siècle, James Clerk Maxwell imagina un petit démon. Celui-ci connaît la vitesse de chaque molécule de gaz et ouvre une porte : les rapides à gauche, les lentes à droite. Ainsi, sans dépense d'énergie, une différence de température apparaît, ce qui semble violer les lois de la physique.

Deux photons sortent d'une petite boîte — et se comportent comme des jumeaux toujours habillés à l'identique. Tournez l'un, l'autre tourne aussitôt de la même façon, même si on les sépare de plusieurs kilomètres. Ce n'est pas un tour de magie, mais de l'intrication quantique : une connexion entre particules qui ne dépend pas de la distance.

La lumière parcourt un labyrinthe de miroirs et de séparateurs de faisceaux, mais au bout du chemin, elle ne se contente pas de scintiller sur un détecteur : elle se modifie elle-même.

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 source de lumière unique dans une fine couche de nitrure de bore s'allume et s'éteint en quelques nanosecondes. On peut créer de nombreuses sources de ce type dans le matériau, mais chacune fonctionnait longtemps de manière indépendante. Dans ces nouveaux travaux, elles ont été amenées à briller ensemble, comme des musiciens jouant à l'unisson.

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.

Selon les lois de la physique, rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière, sinon, pour certains observateurs, l'effet se produirait avant la cause. Artur Ekert et Andrzej Dragan ont montré qu'une telle situation engendre une incertitude qui rappelle le hasard quantique.

Un faisceau lumineux envoyé de la Terre vers un satellite se disperse dans l'atmosphère, comme une lampe de poche dans le brouillard. Pour que le signal ne se perde pas, il faut une lumière à courte longueur d'onde, qui s'étale moins.

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.

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.

Dans une salle de concert vide, deux musiciens jouent la même partition. D'abord le violon, puis le violoncelle, ou l'inverse. Il en a toujours été ainsi : chaque note a sa place dans le temps, son « avant » et son « après ». Mais que se passerait-il si l'orchestre pouvait jouer les deux versions à la fois, dans une superposition quantique de deux ordres ?

Détecter un émetteur quantique unique, c'est un peu comme accorder un piano dans un atelier où hurlent les machines : la note pure se noie dans le vacarme. Mais l'accordeur ne cherche pas à couvrir le bruit — il prend un diapason et écoute les battements. Ainsi, même un écho à peine audible devient évident.