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Un test à choix retardé autour de la dualité onde/corpuscule

5 novembre 2012

LPMC - UMR 7336

Dans une approche naïve, on présente souvent un objet quantique comme étant selon le cas, soit une particule, spatialement localisée et incapable d’interférer, soit une onde, non localisée et susceptible de présenter des interférences. Une expérience récente, montre sans ambiguïté qu’il est nécessaire de renoncer à cette vision simpliste : le comportement d’un objet quantique tel le photon n’est pas réductible à une description binaire exclusive en termes classiques d’onde ou de particule.

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Les physiciens du laboratoire de Physique de la Matière Condensée –LPMC (CNRS/Univ. de Nice - Sophia Antipolis), du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques – MPQ (CNRS/Univ. Paris Diderot) et de l’institut des Sciences Moléculaires d’Orsay – ISMO (CNRS/Univ. Paris Sud) ont observé des photons dans des états ou les aspects ondulatoires et corpusculaires sont superposés dans des proportions contrôlables. Cette propriété est en outre mise en évidence dans une expérience à « choix retardé ». Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Science.

Les expériences type concernant la dualité onde/corpuscule sont réalisées en envoyant un objet quantique tel un photon unique dans un interféromètre. Le photon rencontre une première lame séparatrice. Si l’on place un détecteur devant chacune des deux sorties de cette lame, on détecte le photon, soit d’un côté, soit de l’autre avec une probabilité de 50% pour chacune des possibilités. Si l’on ne détecte pas le photon, mais que l’on recombine les deux voies à l’aide d’une seconde lame séparatrice pour former un interféromètre, on observe des interférences en sortie du dispositif, signes d’un comportement ondulatoire. L’astuce des physiciens a été, d’une part, de réaliser un interféromètre ouvert pour l’une des polarisations du photon et fermé pour l’autre et, d’autre part, d’effectuer l’expérience avec des photons jumeaux intriqués, c’est-à-dire présentant des corrélations quantiques non séparables. Tandis que l’un des photons était envoyé dans le dispositif, le second, que nous dénoterons par la suite « jumeau » était envoyé dans une fibre optique permettant, d’une part, de le conduire dans une pièce distante de 20 mètres (pour éviter toute interférence causale) et, d’autre part, de le retarder, afin d’assurer un retard de 20 nanosecondes sur sa détection et donc la possibilité d’un choix de base de détection postérieur à la détection du premier photon (dans le référentiel du laboratoire). La post-sélection d’événements correspondant à une polarisation donnée du jumeau a alors permis aux auteurs de considérer des évènements pour lesquels le premier photon était détecté par un interféromètre ouvert (détection de type particule), fermé (détection de type onde) ou par une combinaison linéaire quelconque de ces deux mesures. Dans ce dernier cas, le photon test se trouve dans une superposition quantique d’un état de type « onde » et d’un état de type « particule » et ceci dans des proportions quelconques. Les mesures, conformes aux prédictions de la théorie quantique, montrent qu’il est nécessaire de renoncer à une dualité naïve. Un photon n’est pas soit une onde, soit une particule, mais un objet quantique irréductible.

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Vue d’artiste du comportement de photons uniques soumis à un interféromètre fermé par une lame séparatrice quantique, c’est-à-dire préparée dans une superposition d’états d’être à la fois présente et absente. Dans l’arrière-plan du dessin, on observe des oscillations sinusoïdales, signature d’une interférence et donc d’un comportement de type ondulatoire. Dans l’avant-plan du dessin, on n’observe, au contraire, aucune oscillation, ce qui représente la signature d’un comportement de type particule. Entre ces deux extrêmes, on observe une transition continue entre ces deux comportements, indiquant que les photons se trouvent dans une superposition cohérente d’être à la fois ondes et particules, et donc l’inadéquation de s’en tenir à une description binaire exclusive en termes classiques d’onde ou de particule.

En savoir plus

Entanglement-enabled delayed choice experiment, Florian Kaiser1, Thomas Coudreau2, Perola Milman2,3, Daniel B. Ostrowsky1 et Sébastien Tanzilli1, Science (2012).

Retrouvez l’article de la publication sur la base ouverte ArXiv.

Contact chercheur

Sébastien Tanzilli, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC), Nice

2 Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ), Paris

3 Institut de Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO), Orsay

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr