Laboratoire Kastler Brossel

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Mesurer l’etat quantique d’un champ

par Paul INDELICATO - 25 septembre 2008

L’équipe « Électrodynamique Quantique en Cavité » du LKB est parvenue à piéger de la lumière dans une « boîte à photons » (une cavité micro-onde) pendant un temps assez long pour en déterminer complètement l’état quantique et observer son évolution . Cet état est un objet mathématique qui permet de prédire la statistique des résultats de toute mesure possible sur la lumière piégée. Il peut en général être représenté par une carte de valeurs dans un « plan de phase » qui ressemble à une carte géographique en relief. Chaque point de cette carte, repéré par sa distance à une origine et sa direction, est associé à une valeur de l’amplitude et de la phase du champ. Un champ lumineux ordinaire (champ thermique produit par un corps chauffé, par un laser ou par une combinaison de ces sources) est de façon générale décrit par un paysage de pics positifs centrés aux points correspondants aux valeurs les plus probables du champ. Il existe aussi des champs non-classiques, aux propriétés beaucoup moins intuitives, dont la carte présente des oscillations prenant des valeurs négatives dans certaines régions du plan. En sondant la boîte avec des atomes très sensibles, l’équipe a pu cartographier ces états étranges. C’est le cas des champs à nombre bien défini de photons, dont la carte présente des ondulations concentriques, ou encore d’états dits « chats de Schrödinger » qui sont des superpositions quantiques d’états classiques de phase différentes. Ces derniers sont décrits par des cartes à deux pics positifs localisés dans les directions correspondant aux phases de leurs composantes classiques, avec entre eux des oscillations alternant des crêtes positives et des vallées négatives. En préparant initialement de tels états dans la boîte à photons et en suivant leur évolution dans le temps, l’équipe a pu observer la disparition progressive des régions négatives, révélant la fragilité des états non-classiques, qui sont rapidement ramenés dans le monde classique intuitif où les cartes du champ sont partout positives. En permettant de « disséquer » ce phénomène de décohérence, essentiel à la compréhension de la transition entre le quantique et le classique, cette expérience ouvre la voie à la manipulation et au contrôle de la décohérence. La possibilité d’observer ce phénomène pour ainsi dire en direct doit permettre de mettre en œuvre des procédures de « rétro-action quantique » dans lesquelles des atomes seront utilisés pour rétablir les oscillations quantiques de la carte du champ et ainsi préserver ses propriétés quantiques, si importantes pour la réalisation d’opérations d’information quantique.

« Chat de Schödinger »

Figure : Cartographie d’un « Chat de Schödinger » à quatre instants différents. Initialement (en bas à gauche), on observe deux pics positifs correspondant aux composantes classiques du « chat » et, entre elles, une structure d’interférence oscillante, avec des valeurs négatives typiques d’un état non classique. Au cours du temps, les interférences s’effacent et il ne reste finalement (en haut à droite) que les composantes classiques positives.