intrication à trois photons

Le gâteau en couches de disulfure de molybdène MoS2 repose sur la paillasse du laboratoire. On le prépare de la manière habituelle : un ruban adhésif arrache les couches supérieures pour obtenir un échantillon mince. Mais sous le ruban subsiste une cavité invisible, où les étages atomiques ne sont plus pressés les uns contre les autres.

Trois voix qui se fondent en un seul accord. En physique des matériaux quantiques, cette image prend un sens littéral : trois couches de graphène, séparées par de minces espaceurs, forcent les électrons et les trous de différentes couches à se déplacer comme un seul liquide.

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.

Les systèmes quantiques composés de nombreuses particules sont à la base des futurs ordinateurs et des réseaux sécurisés. Mais plus il y a de particules, plus il est difficile de comprendre comment elles sont organisées : le nombre d'états possibles augmente de façon exponentielle. La méthode habituelle, qui consiste à tout mesurer, prend un temps considérable.

Dans un film mince de pérovskite — un matériau pour panneaux solaires bon marché — la lumière crée des paires de charges : un électron et un « trou ». Ils doivent atteindre les électrodes et produire un courant, mais beaucoup disparaissent en chemin. Où exactement ? C'est la question dont dépend l'efficacité de la batterie.

La durée de vie de la paire de triplets intriquée dans la protéine est d'environ 60 picosecondes, soit huit fois plus longue que dans une solution. La lumière du soleil est comme un flux continu de balles frappant un mur.

Trois boules de billard frappées se dispersent sur la table — leurs trajectoires ne dépendent que de l'impulsion initiale. Mais dans le monde des noyaux atomiques, c'est plus complexe : les particules se ressentent mutuellement en mouvement, même si elles ne sont pas liées en un tout.

La lumière issue de l'époque la plus chaude de l'Univers voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années. C'est le fond diffus cosmologique — une faible lueur qui remplit tout le ciel.

Dans une rangée serrée d'atomes, espacés de moins d'une longueur d'onde, se cache un état surprenant. L'excitation est répartie sur toutes les particules de telle sorte que leur rayonnement s'annule de lui-même. Ce « silence » quantique est un coffre-fort idéal pour un photon : il peut y rester stocké des centaines de fois plus longtemps que d'habitude.

Les réseaux quantiques du futur rappellent la tour de Babel : chaque nœud parle son propre dialecte. Certains stockent l'information dans la polarisation du photon — la direction d'oscillation de l'onde lumineuse.

Trois faisceaux laser s'entrelacent en triangle. Chacun est lié aux deux autres — c'est ainsi que fonctionne le nouveau schéma que les physiciens appellent « vide comprimé tri-modal totalement connecté ».

Chaque annihilation de positon ressemble à la naissance d'un couple de danseurs liés par un fil invisible de polarisation. Les deux rayons gamma s'éloignent, mais leurs états restent enchevêtrés : mesurer l'un détermine instantanément l'autre — comme si le partenaire ressentait chaque mouvement à n'importe quelle distance.

Au cœur de l'ordinateur quantique du futur pourrait se trouver une minuscule molécule organique en forme de triangle. Elle possède deux électrons « en trop » qui ne trouvent pas de partenaire. Ces molécules sont appelées diradicaux, et leurs électrons sont capables de stocker l'information d'une manière particulière, quantique.

L'intrication quantique — un phénomène où les états de deux ou plusieurs particules sont corrélés indépendamment de la distance qui les sépare — lie généralement des propriétés internes comme le spin ou la polarisation.

La lumière frappe une molécule organique — et à l'intérieur naît une paire de jumeaux d'excitation. On les appelle paires de triplets.

Le noyau de carbone a longtemps été imaginé comme une sphère homogène de protons et de neutrons, mélangés uniformément, comme une pâte à tarte.

Les neutrinos sont de véritables fantômes du monde microscopique. Presque sans masse, sans charge, ils traversent les planètes comme si elles étaient vides. Mais à l'intérieur de chaque neutrino se cache non pas une particule, mais trois — trois « saveurs » (électronique, muonique et tau) qui se transforment constamment les unes dans les autres.

Trois danseurs évoluent comme un seul corps : chacun ressent tous les autres, et l'harmonie globale ne se réduit pas aux interactions individuelles. C'est à peu près le comportement de trois particules nées d'une collision entre un électron et un positron à vitesse de la lumière.

Une éponge de cuisine imbibée de sirop : à certains endroits, il y a plus de sirop, et le doigt colle immédiatement ; à d'autres, il effleure à peine. C'est à peu près ainsi qu'est faite la surface d'un catalyseur. Les molécules ne réagissent pas partout, mais en des points particulièrement collants — les sites actifs.

Une seule prise de vue stocke à la fois une image normale et une carte cachée de la façon dont la lumière a ondulé à travers la scène. L'intrication quantique rend cela possible. Des paires de photons liés sont générées : l'un visite l'objet, son jumeau fait un détour.

Les noyaux atomiques ne ressemblent pas toujours à des boules de billard. Certains sont allongés comme des cigares, d'autres aplatis. Pour le xénon-129, la forme évoque une pomme de terre — un ellipsoïde triaxial bosselé.

Une source de photons ordinaire peut être comparée à l'entrée d'une boîte de nuit où un seul videur est posté. Il s'efforce de laisser entrer les clients un par un, mais parfois des couples se faufilent. Les physiciens appellent cela le problème de pureté : les photons doivent arriver strictement un par un, sinon les calculs quantiques déraillent.

Deux trous noirs se percutent de plein fouet à grande vitesse, tandis qu'un troisième tourne à proximité. Dans la vie courante, un tel accident produirait une onde de choc d'ondes gravitationnelles (des ondulations de l'espace, comme celles d'un caillou jeté dans un étang).

La lumière est un flux de photons. Dans un guide d'ondes spécial, semblable à un couloir étroit, un atome « gardien » les laisse généralement passer un par un. Ce phénomène est étudié par la spectroscopie de particules uniques.

Le faisceau d'une lampe de poche traversant un verre dépoli se transforme en une tache floue à chaque millimètre d'épaisseur supplémentaire. C'est à peu près ce qui se passe avec les scintillateurs, ces matériaux qui convertissent les rayons X en lumière visible.

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.

Les réseaux quantiques ont besoin d'un intermédiaire entre le stockage – le spin – et le transport – la lumière. Aucune molécule unique n'avait réussi à remplir ce rôle. Mais des physiciens viennent de trouver une solution. Ils ont placé une molécule de carbène dans un cristal et l'ont refroidie à -269°C.

De minuscules îlots de semi-conducteur, cultivés directement sur du silicium, émettent des photons uniques — comme un distributeur qui ne libère qu'une bille à la fois. Ces îlots sont appelés boîtes quantiques.

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.

Deux pendules sur une table stable oscillent indépendamment. Si on les place sur une surface instable, les vibrations synchronisent leur mouvement. Le même principe a fonctionné sur une puce en silicium avec des photons. Les scientifiques ont créé deux sources de lumière émettant des paires de particules.

Un robinet dont l'eau ne coule pas en jet mais strictement goutte à goutte — c'est ainsi que l'on peut décrire la source de photons uniques dont parlent les auteurs. Dans la lumière ordinaire, les photons volent en foule, comme l'eau d'un robinet ouvert.

La lumière et les atomes, comme des danseurs, peuvent se mouvoir à l'unisson ou en désordre. Lorsque leur interaction est anisotrope — c'est-à-dire qu'elle dépend de la direction — la danse se complique.

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.

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.

Le laser frappe un atome de strontium, et deux électrons s'en échappent d'un coup. On pensait auparavant que lors d'une telle double ionisation, chaque électron agissait de son côté : l'un est éjecté en premier, l'autre plus tard, au hasard.

Dans deux pièces miroir, placées perpendiculairement, vit un nuage d'atomes. Chaque atome est comme un chanteur dans un chœur : seul, il peut se taire, mais quand ses voisins commencent à chanter, il reprend.

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.

La lumière quantique n'est pas simplement un flux de particules, mais un motif complexe tissé d'espace et de temps. Un photon unique peut être étiré, comprimé, réparti dans différentes directions.

La lumière ordinaire est un flux de particules indépendantes : les photons se traversent sans se soucier de leurs voisins. Mais dans les circuits supraconducteurs, refroidis à des températures proches du zéro absolu, la donne change.