Compter les photons sans les détruire

3 septembre 2007

La superposition quantique permet à un système d’être dans un état correspondant simultanément à plusieurs résultats possibles pour une mesure. Les postulats quantiques prédisent qu’une mesure idéale effectuée sur un tel système induit une évolution irréversible. L’indétermination initiale est levée et la mesure laisse le système dans un état choisi au hasard, où la quantité mesurée est exactement déterminée. L’évolution induite par la mesure (la « réduction du paquet d’onde ») peut être progressive et résulter de l’accumulation de nombreux changements élémentaires d’état. Peu de mesures quantiques sont idéales. Le comptage de photons, une opération routinière en optique quantique, s’accompagne par exemple presque toujours de la destruction du champ.

Une équipe du LKB vient de réaliser une mesure quantique idéale pour le nombre de photons d’un champ cohérent stocké dans une « boîte » (une cavité microonde formée de miroirs supraconducteurs). Des atomes, jouant le rôle de microscopiques horloges, sondent répétitivement le champ. Le retard accumulé par ces horloges dépend du nombre de photons. Chaque atome apporte une information partielle sur l’intensité du champ. La réduction à un état où le nombre de photons est certain (entre 0 et 7) est progressive, résultant de l’accumulation de ces informations élémentaires. Des corrélations entre mesures répétées apportent la preuve du caractère idéal de cette mesure quantique non destructive. On suit ensuite directement les sauts quantiques correspondant à la perte des photons, un par un, due à l’amortissement du champ. Cette procédure illustre tous les postulats de la mesure quantique et permet de préparer des états non-classiques intéressants.


Evolution de la distribution statistique du nombre de photons dans une mesure.: On observe d’abord la réduction progressive vers un état à cinq photons, puis les photons s’échappent un par un jusqu’à ce que la cavité demeure vide. L’échelle de temps est non linéaire.

En savoir plus

Progressive field-state collapse and quantum non-demolition photon counting, C. Guerlin et al, Nature, 448, 889, (2007)

Dans Physics World : Light collapses step-by-step, Subtle technique could help explain measurement in quantum mechanics.

Dans le Figaro du 23 août : Des grains de lumiere pris au piege

Les auteurs

Christine Guerlin (Doctorante), Julien Bernu (Doctorant), Samuel Deléglise, Clément Sayrin, Sébastien Gleyzes, Stefan Kuhr, Michel Brune (Directeur de recherche CNRS), Jean-Michel Raimond (Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie), Serge Haroche (Professeur au Collège de France).