Lumière présentant des propriétés statistiques non classiques, telles que le regroupement de photons.La lumière quantique désigne une lumière dont les propriétés statistiques ne peuvent être décrites par la théorie électromagnétique classique. En physique classique, la lumière est une onde dont l'intensité peut varier de manière continue, et ses statistiques photoniques suivent une distribution de Poisson pour les sources cohérentes comme les lasers. La lumière quantique, cependant, présente des caractéristiques non classiques telles que le regroupement de photons (où les photons arrivent en grappes plus souvent que par hasard) ou l'anti-regroupement (où les photons arrivent de manière plus espacée). Ces comportements découlent de la nature quantique du champ électromagnétique, où les photons sont des particules discrètes qui peuvent être corrélées ou intriquées.
Le concept de regroupement de photons a été prédit pour la première fois par Roy Glauber en 1963, qui a développé la théorie quantique de la cohérence optique. Hanbury Brown et Twiss avaient observé plus tôt des corrélations d'intensité en 1956, comprises ensuite comme un effet classique, mais le formalisme de Glauber a distingué la lumière classique de la lumière quantique.
L'état quantique de la lumière est décrit par une matrice densité ou une fonction d'onde dans l'espace de Fock, où chaque mode possède un nombre défini de photons. Le regroupement de photons se produit dans la lumière thermique, où les photons tendent à arriver ensemble en raison des statistiques de Bose-Einstein. L'anti-regroupement, observé dans les sources de photons uniques, résulte du fait qu'un atome à deux niveaux ne peut émettre qu'un photon à la fois. Ces statistiques sont mesurées via des fonctions de corrélation du second ordre, qui comparent la probabilité de détecter deux photons simultanément par rapport à des instants différents.
La lumière quantique est essentielle pour la cryptographie quantique, l'informatique quantique et la métrologie quantique, où les corrélations non classiques permettent une communication sécurisée et des mesures de précision au-delà des limites classiques.
Une source de photons uniques émet une lumière qui présente un anti-regroupement, ce qui signifie que la probabilité de détecter deux photons exactement au même moment est nulle, un comportement impossible pour toute source de lumière classique.
