PHYSIQUE / Des physiciens ont suivi la vie et la mort d'un photon captif (2)

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Les systèmes quantiques microscopiques «sautent» d'un état à un autre de façon inattendue. Les physiciens ont déjà détecté les sauts quantiques des atomes, électrons, ions et autres particules. Mais ils ne les avaient pas encore vu sur les photons, habituellement détruits lorsqu'ils sont détectés. C'est maintenant chose faite, grâce à une technique astucieuse, décrite dans la revue Nature du 15 mars, où les photons sont piégés dans une cavité supraconductrice : les chercheurs du laboratoire Kastler Brossel (CNRS/ENS/Collège de France/Université Paris 6) ont observé, en temps réel, la naissance, la vie et la mort d'un photon unique. Le rêve d'Einstein - emprisonner un photon dans une boîte pendant un temps de l'ordre de la seconde - est enfin réalisé.

Un photon est un grain élémentaire de lumière. Il n'est en général observable que lorsqu'il disparaît. L'oeil, comme la plupart des récepteurs de lumière, absorbe irréversiblement les photons qu'il détecte et l'infor
mation que porte la lumière est détruite à mesure qu'elle est enregistrée. On peut certes voir le même objet (macroscopique) aussi souvent que l'on veut, mais ce sont à chaque fois de nouveaux photons qui véhiculent son image vers notre oeil.

Détruire les photons pour les mesurer n'est cependant pas une nécessité imposée par la nature. C'est ainsi que les chercheurs du laboratoire Kastler Brossel (CNRS/ENS/Collège de France/Université Paris 6) ont réussi à observer, des centaines de fois, un seul et même photon piégé dans une boîte. Après un temps qui peut atteindre une demi seconde, le grain de lumière finit par s'échapper, de façon imprévisible et soudaine, réalisant un saut quantique. Les chercheurs ont suivi pour la première fois « en direct » l'histoire de la vie et de la mort de photons individuels.

La clé de cette expérience est une « boîte à photons » : c'est une cavité formée de deux miroirs supraconducteurs refroidis à une température proche du zé
ro absolu. Entre les miroirs, qui se font face à 2,7 centimètres de distance, un photon issu du rayonnement thermique résiduel rebondit plus d'un milliard de fois avant de disparaître (contre un million au maximum s'il s'agissait de miroirs pour des photons visibles). Il parcourt en moyenne un trajet équivalent à la circonférence de la Terre.

Habituellement, on détecte les photons par absorption atomique. Un atome peut exister dans divers états d'énergie et il peut absorber un photon en passant d'un état à un autre d'énergie supérieure. En mesurant la variation d'énergie d'atomes absorbeurs traversant la cavité, on pourrait savoir si elle contient un photon, mais on le détruirait et ne le verrait donc qu'une fois.

L'astuce des chercheurs a été de choisir des atomes dont la transition entre deux états 0 et 1 correspond à une énergie différente de celle des photons. La conservation de l'énergie interdit alors à l'atome d'absorber la lumière. En revanche, la présence du p
hoton modifie légèrement la fréquence de la transition atomique (mesurée à l'aide d'un champ micro-onde auxiliaire à l'extérieur de la cavité). Au final, l'atome est porté dans l'état 1 si la cavité contient un photon, et reste dans l'état 0 si elle est vide, comme dans la méthode classique, mais l'énergie absorbée par l'atome est empruntée au champ auxiliaire et non à celui de la cavité : le photon est encore là après avoir été vu, prêt à être mesuré à nouveau.

Les chercheurs ont enregistré de nombreuses séquences de plusieurs secondes pendant lesquelles des milliers d'atomes traversant la cavité un à un sont détectés soit dans l'état 0, soit dans l'état 1. Dans un signal typique, les atomes sont d'abord détectés dans l'état 0 : la cavité est vide. Soudain, les atomes apparaissent dans l'état 1 signalant qu'un photon a été piégé entre les miroirs. Ce photon provient du rayonnement thermique résiduel dans lequel baigne la cavité. En général, il reste pi
égé environ un dixième de seconde. Dans certaines séquences, le photon survit plus longtemps, jusqu'à une demi seconde. Il disparaît ensuite aussi soudainement qu'il était apparu, laissant la cavité vide. Les moments où les photons apparaissent et disparaissent révèlent les sauts quantiques de la lumière qui se produisent au hasard. En observant de tels sauts pendant plusieurs heures, les chercheurs ont vérifié de façon directe les propriétés statistiques du rayonnement thermique établies il y a un siècle par Planck et Einstein. Dans cette expérience, l'information transportée par un quantum de lumière est transférée des centaines de fois à un système matériel sans se perdre. Le même photon contrôle l'état d'un grand nombre d'atomes, réalisant un pas important vers le traitement quantique de l'information.

Références :
Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity, Sébastien Gleyzes, Stefan Kuhr, Christine Guerlin, Julien Bernu, Samuel
Deléglise1, Ulrich Busk Hoff, Michel Brune, Jean-Michel Raimond, Serge Haroche, Nature, 15 mars 2007