génération de paires 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.

Deux cailloux tombent dans l'eau à une certaine distance l'un de l'autre. Les vagues qu'ils créent courent l'une vers l'autre et, à certains endroits, s'annulent — l'eau redevient lisse, alors que chaque caillou, pris séparément, aurait produit des ondulations.

Une toupie tourne si vite que l'air autour d'elle se met à tourner à l'unisson. C'est à peu près ce que fait un trou noir : s'il tourne, il peut transférer son énergie aux particules qui se trouvent à proximité. Ce processus est appelé superradiance — il ressemble à un écho dans les montagnes, sauf qu'au lieu du son, ce sont de nouvelles particules qui naissent.

Le mystère de l'antimatière dans l'espace n'a cessé de hanter les astrophysiciens : d'où viennent les positons qui se déposent comme des flocons de neige dans les détecteurs ? La réponse pourrait se cacher dans le fond gamma le plus omniprésent. L'Univers est imprégné d'une lumière diffuse — le fond photonique cosmique (CPB).

Un film mince de disulfure de molybdène — de moins d'un micron d'épaisseur — fonctionne comme une minuscule usine à paires de photons, intégrée directement dans un connecteur de fibre optique. La fibre optique ordinaire n'est pas qu'un simple fil de verre pour Internet.

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.

Deux minuscules miroirs dans le vide, comme des patineurs en couple. Leurs oscillations se synchronisent grâce à un fil gravitationnel invisible. Lorsqu'on les refroidit à des millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu, ce fil les transforme en un lien quantique unique — le mouvement de l'un se répercute instantanément sur l'autre.

Deux étoiles à neutrons — des vestiges d'astres morts, comprimés à la taille d'une ville mais pesant autant qu'un Soleil entier — tournent l'une autour de l'autre et finissent par entrer en collision. À cet instant naît un objet à mi-chemin entre un trou noir et un aimant surpuissant : un champ des milliards de fois plus intense que celui du plus puissant IRM.

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition, et où tous ensemble créent une mélodie complexe : c'est ainsi qu'apparaît un nuage d'atomes dont les spins (rotations propres, comme de minuscules toupies) oscillent de manière coordonnée. D'habitude, ces toupies se comportent indépendamment.

Avant d'assembler un immense puzzle, il faut fabriquer les pièces en série – sinon l'image ne se forme pas. Dans les ordinateurs quantiques à fusion, ces pièces sont de minuscules paquets de lumière : les états ressources photoniques. On les fait entrer en collision et on les mesure pour tisser progressivement la trame de calcul.

L'énigme de la gravité quantique trouble les esprits depuis près d'un siècle. Le champ classique qui courbe l'espace-temps refuse de s'intégrer dans le monde probabiliste des superpositions. La gravitation, tout en restant macroscopique, peut-elle engendrer de l'intrication microscopique ?

Lorsqu'un champ électrique atteint une force monstrueuse, le vide cesse d'être vide. Dès le milieu du siècle dernier, Julian Schwinger a montré que le vide explose littéralement en paires particule-antiparticule si le champ est suffisamment intense.

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.

La lumière n'est pas seulement des rayons, mais des ondes qui peuvent tourbillonner, comme un couple en danse. Leur rotation totale est appelée par les physiciens moment angulaire orbital, et on pensait qu'elle obéissait à la loi de conservation découlant des symétries de la nature, découvertes par Emmy Noether.

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.

Deux musiciens jouent en duo. Dans une salle idéale, ils s'entendent parfaitement et entrent progressivement en résonance. Mais essayez de jouer dans une pièce où quelqu'un claque constamment la porte. On pourrait croire que le rythme va être perturbé. Et bien non : parfois, c'est précisément ce claquement aléatoire qui fait que les deux s'accordent instantanément.

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.

La lumière des étoiles lointaines voyage pendant des millions d'années, mais les rayons X ne peuvent pas être captés par du verre ordinaire : ils le traversent comme une balle traverse du papier. C'est pourquoi les télescopes à rayons X nécessitent des lentilles spéciales : des piles de minuscules prismes qui dévient doucement les rayons et les concentrent en un seul point.

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.

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.

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.

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.

Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde. Parmi ce flux, les physiciens ont repêché huit événements où, après l'impact, sont nées simultanément deux particules Z et un photon.

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.

Le cristal d'oxyde de magnésium ressemble à une rangée de soldats : les atomes sont alignés en rangées régulières, et un électron court le long de celles-ci. Mais dès que l'électron s'attarde, les atomes voisins se déplacent légèrement — comme des voisins de rangée qui tournent la tête. L'électron se retrouve dans un creux formé par les atomes déplacés et ne peut plus se mouvoir librement.

Une plaquette de silicium, c'est comme une pâte à biscuits. On la chauffe au four, et à l'intérieur apparaissent de minuscules pépites : des défauts du réseau cristallin capables d'émettre des photons uniques.

Un ion unique de calcium flotte dans un piège à vide, maintenu par des champs électriques, comme un petit pois dans une coupe invisible. Autour de lui, deux miroirs forment une cavité optique : la lumière rebondit entre eux, renforçant l'interaction avec l'ion.

La communication quantique par satellite ressemble à un appel entre deux phares lointains : le faisceau doit toucher exactement le détecteur, sinon le message est illisible.

La lumière d'une lampe ordinaire est un chaos : les photons s'envolent dans toutes les directions, sans aucun ordre. Mais si l'on fait en sorte que de nombreux atomes émettent de la lumière simultanément et en rythme, on obtient une impulsion courte et puissante — comme des applaudissements qui, de claquements individuels, se transforment en une salve unique.

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.

Deux photons, comme les deux faces d'une même pièce, s'éloignent sur des dizaines de kilomètres mais restent liés : mesurez l'un, vous connaissez instantanément l'état de l'autre. Cette propriété s'appelle l'intrication, et elle est à la base de la communication quantique.

Le chat de Schrödinger se cache d'habitude dans des expériences de pensée — à la fois vivant et mort. Cette fois, on l'a attrapé en laboratoire : une impulsion lumineuse a été contrainte d'être dans deux états opposés à la fois, comme une pièce suspendue en l'air, pile et face en même temps.

Un laser ordinaire émet des photons un par un, comme un robinet qui goutte. Mais que faire si l'on a besoin de plusieurs particules de lumière nées au même instant ?

Créer de la lumière avec un nombre exact de photons, c'est un peu comme frapper exactement 100 000 pièces sans aucun défaut. Jusqu'ici, les physiciens ne pouvaient contrôler que des dizaines de particules.

Un cristal sans centre de symétrie ressemble à un escalier dont toutes les marches sont inclinées du même côté : les électrons, après avoir reçu une impulsion de la lumière, dévalent principalement dans une seule direction. C'est ainsi que naît un courant continu — l'effet photovoltaïque.

Des physiciens sont parvenus pour la première fois à créer un trio de photons intriqués en un tout unique, et non simplement par paires. Pour cela, une puce spéciale a été refroidie à des températures des centaines de fois plus basses que dans le vide spatial — le moindre bruit menaçait de détruire ce lien fragile.

En 1989, John Wheeler a formulé une idée audacieuse : « it from bit », tout ce qui existe provient de l'information. Longtemps, cela est resté une belle métaphore, mais aujourd'hui des physiciens ont trouvé un mécanisme concret qui transforme les bits en particules.