conversion paramétrique spontanée vers le bas

Un interprète dans une salle d'audience doit transmettre chaque mot sans se laisser distraire par le bruit ambiant. Dans le monde quantique, ce rôle est joué par un résonateur supraconducteur, qui doit perdre des photons selon un calendrier strict, sans dévier vers des effets parasites.

Imaginez un faisceau vert qui, traversant un montage optique ingénieux, se tord en un entonnoir de lumière tridimensionnel — un vortex optique. En son cœur, comme dans l'œil d'un cyclone, l'intensité chute à zéro. C'est là que les photons disparaissent.

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.

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.

Un détecteur ordinaire de photométrie ne fait pas la différence entre un photon venant de gauche et un autre venant de droite. Mais dès qu'il se met en mouvement, tout change. Imaginez un batelier qui rame entre deux joueurs de flûte jouant la même note.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien-qubit doit jouer dans un silence parfait. Mais lorsque ces orchestres sont nombreux et veulent jouer ensemble, ils ont besoin d'un chef d'orchestre-connecteur fiable.

Le faisceau d'une lampe de poche dans une pièce sombre peut maintenir une poussière presque immobile — c'est ainsi que fonctionnent les pinces optiques. Mais la lumière ne se contente pas de pousser la particule : elle la fait aussi vibrer avec des coups aléatoires. Chaque photon absorbé la frappe comme un minuscule marteau invisible.

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.

Le vide n'est pas un silence vide, mais un chaudron bouillonnant de fluctuations quantiques : des particules virtuelles naissent sans cesse du « rien » et s'annihilent en quelques milliardièmes de seconde.

Un sursaut gamma est une brève mais extrêmement puissante éruption de lumière, comme celles qui naissent lors de la fusion d'étoiles à neutrons ou de l'effondrement d'une étoile massive.

Dans une molécule semblable à la chlorophylle et construite à partir de carbone, un atome métallique en son centre agit comme un interrupteur. En le déplaçant de quelques fractions de nanomètre, on peut faire briller la molécule, l'éteindre ou amplifier sa luminosité des centaines de fois.

Une cheminée d'usine rejette du dioxyde de carbone dans l'air, et à côté se trouve une installation qui capture ce gaz et, sous la lumière du soleil, en assemble des molécules d'éthylène — la matière première des sacs et des tuyaux en plastique.

Si l'on jette une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un minuscule cristal magnétique, il y a aussi des ondes — mais ce n'est pas l'eau qui oscille, c'est la direction de l'aimantation. Ces ondes sont appelées ondes de spin. Elles parcourent le cristal comme des rides à la surface et peuvent transporter de l'information.

Un faisceau lumineux qui traverse un morceau de verre ne fait généralement que se dévier légèrement. Mais si l'on grave à l'intérieur du verre des motifs très fins au laser, on peut faire en sorte que la lumière se décompose en faisceaux distincts, comme la lumière blanche se disperse en arc-en-ciel après la pluie.

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 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 ?

À une température de 4,3 degrés au-dessus du zéro absolu, le cristal de tellurure de palladium cesse de résister au courant électrique. Les électrons s'y apparient et se déplacent sans perte, comme une foule qui se tient par la main. Mais ce supraconducteur semble avoir non pas un, mais deux modes d'appariement différents.

Les photons intriqués sont comme des jumeaux : agir sur l'un affecte instantanément l'autre, même s'ils sont séparés par des kilomètres. Jusqu'à récemment, observer un tel lien nécessitait des détecteurs comptant chaque photon individuellement dans l'obscurité totale.

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.

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.