paire de photons

La communication quantique ressemble à l'envoi d'une lettre secrète qui se déchire à la moindre tentative d'espionnage. Jusqu'à présent, on ne pouvait envoyer cette lettre que par une seule route, ce qui est lent.

Un réseau aléatoire classique ressemble à une carte routière : pour que quatre villes soient reliées par un carrefour complexe, il faut tracer de nombreuses autoroutes. Dans le monde des particules quantiques, tout est différent.

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

Un résonateur vide n'est pas tout à fait vide. Même dans le vide absolu, où il n'y a aucun photon, subsistent des fluctuations quantiques. Elles ressemblent à des rides sur l'eau par temps calme : la surface paraît lisse, mais les molécules continuent de trembler.

Une pierre jetée dans l'eau laisse des cercles qui s'étendent. Une onde gravitationnelle est une ondulation de même nature, mais dans l'espace-temps. Elle est produite, par exemple, par la fusion de deux trous noirs. En physique classique, cette ondulation est éternelle : une fois créée, elle traverse l'Univers sans s'atténuer.

L'électron et son antipode — le positron, prédit par Paul Dirac —, lorsqu'ils se rencontrent, forment un instant le positronium : une minuscule paire qui tourne l'un autour de l'autre, comme dans un atome, mais sans noyau.

Les ordinateurs quantiques du futur communiqueront probablement par la lumière. L'atome stocke l'information, et le photon la transporte à travers le réseau. Mais l'atome ne reste pas immobile : il tremble, il oscille, et ce mouvement peut altérer le signal. Auparavant, les ingénieurs ne savaient calculer que le cas d'un atome immobile.

Le monde quantique est plein de surprises. Dans l'oscillateur paramétrique de Kerr — un dispositif où la lumière est piégée dans un anneau et excitée par un champ externe — on a récemment observé une chose étrange : des paires de niveaux d'énergie fusionnent dans une étreinte. Les physiciens ont appelé cela le « baiser spectral » spectroscopie.

Dans le cristal de nitrure de bore, le réseau atomique parfait est parfois perturbé : ici un atome manque, là il est remplacé par un atome étranger.

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.

Deux boîtes aux lettres à deux extrémités d'une ville. Vous déposez une lettre dans l'une, et une lettre identique apparaît instantanément dans l'autre. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'intrication quantique : deux particules se comportent comme un seul ensemble, même si on les sépare loin l'une de l'autre.

Une lanterne brille à travers un épais brouillard. La lumière se diffuse sur les gouttelettes d'eau et la lanterne paraît floue. Autour d'un trou noir, il se passe quelque chose de semblable : un gaz brûlant, tel un brouillard, l'enveloppe, et les rayons X provenant des régions internes du disque traversent ce nuage.

Dans l'immense accélérateur, des particules se percutent, et parfois, après l'impact, il ne reste que deux photons – les particules de lumière. Les physiciens savent prédire la fréquence de ce phénomène, mais leurs calculs ne concordaient pas avec ce que voyaient les détecteurs.

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.

Deux particules qui s'éloignent dans des directions opposées se comportent comme un tout : la mesure de l'une détermine instantanément l'état de l'autre. Cette intrication quantique est connue depuis longtemps pour les particules légères, mais c'est la première fois qu'on l'observe chez les bosons Z, les lourds porteurs de l'interaction faible.

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.

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.

Une diode à semi-conducteur ne laisse normalement passer le courant que dans un sens, comme une porte à ressort : elle s'ouvre facilement dans un sens, mais bute dans l'autre. Mais si l'on sature fortement le cristal d'impuretés, la porte se met à se comporter bizarrement : sous tension inverse, le courant ne se contente pas de passer, il grimpe en flèche.

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.

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.

La lumière émise par les minuscules cristaux de pérovskite évoque une chorale où les voix se font entendre tantôt en solo, tantôt en duo harmonieux. Jusqu'ici, ce duo ne pouvait être capté qu'à très basse température, presque au froid cosmique. Désormais, la chorale chante à température ambiante.

Une lampe de poche dans un épais brouillard ne sert à rien : le faisceau se disperse et la lumière réfléchie se noie dans les interférences. Mais si l'on relie deux photons par un fil invisible, l'un d'eux peut traverser le brouillard et revenir, tandis que l'autre reste en sécurité.

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.

Au Grand collisionneur de hadrons, les physiciens accélèrent des protons à une vitesse proche de celle de la lumière et les font entrer en collision.

Dans le monde quantique, la collision de particules ne les détruit pas, mais les enlace en un nœud indissoluble : états internes et mouvements s'entremêlent comme des fils. Des scientifiques ont développé une méthode universelle permettant de mesurer cette intrication directement à partir des données de collision.

Les oiseaux migrent en utilisant le champ magnétique. Dans leurs yeux se trouve la protéine cryptochrome. Elle capte la lumière du soleil, surtout la lumière bleue, et déclenche une réaction. L'absorption de la lumière conduit à la formation d'une paire de particules très sensibles au champ magnétique.

À l'intérieur de chaque cellule vivante, des transformations chimiques se déroulent sans interruption. Certaines produisent des particules instables dont les électrons se comportent comme des aimants appariés.

En septembre 2024, dans la salle de concert de Linz, il n'y avait pas que l'orchestre sur scène. À côté des musiciens, un dispositif générait des paires de photons intriqués : un laser de longueur d'onde 405 nm frappait un cristal non linéaire et se divisait en deux photons de longueur d'onde 810 nm, qui s'envolaient vers deux stations de mesure, Alice et Bob.

Le laser sur cristal de niobate de lithium s'anime avec un courant de 40 milliampères. Sa lumière se divise en deux faisceaux, chacun traverse un guide d'ondes de six millimètres, et là naissent des paires de photons jumeaux. Un faisceau fait tourner la polarisation de ses jumeaux, puis les deux flux se rejoignent dans un lit commun.

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.

L'émission spontanée – ce processus qui allume les lampes et les étoiles – a longtemps été considérée en physique quantique comme un bruit gênant.