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BE Canada 417  >>  15/03/2013

>> Sommaire

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Physique
Le principe d'incertitude d'Heisenberg remis en question par la première mesure directe des états quantiques de la lumière

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/72572.htm

Une équipe de chercheurs menée par Robert Boyd, titulaire de la Chaire d'excellence en recherche du Canada sur l'optique non linéaire quantique à l'Université d'Ottawa et professeur d'optique et de physique à l'Université de Rochester, vient de faire une découverte révolutionnaire. Le groupe est le premier à mesurer directement les états de polarisation du photon, soit les directions dans lesquelles oscillent les champs de lumière électriques et magnétiques. Ses travaux remettent également en question l'un des grands fondements du principe d'incertitude d'Heisenberg.

Les résultats de ces travaux, publiés dans Nature Photonics (en anglais), montrent pour la première fois qu'il est possible de mesurer directement des variables clés, appelées "variables conjuguées", d'une particule ou d'un état quantique. Cette percée remet en question le principe d'incertitude selon lequel lorsque l'on mesure avec précision certaines propriétés d'un système quantique, la mesure des autres propriétés connexes ne sera pas aussi précise.

Le contexte

L'équipe de Robert Boyd a mesuré la polarisation des états de la lumière c'est-à-dire les directions dans lesquelles oscillent les champs électriques et magnétiques. Elle a ainsi découvert qu'il était possible de mesurer directement les variables - ou conjugués - d'un état ou d'une particule quantique. Ces états binaires de la lumière sont les vecteurs actuellement proposés pour coder l'information en informatique quantique. "La capacité à réaliser des mesures directes de l'état ondulatoire quantique a des implications majeures pour l'avenir de l'informatique quantique," explique Pr. Boyd. "Les travaux réalisés dans notre équipe s'intéressent aux applications de cette technique à d'autres systèmes tels que la mesure d'un groupe mixte d'état quantique."

Jusque très récemment, on n'était parvenu qu'à mesurer indirectement les états quantiques de la lumière, par exemple par la tomographie quantique, long processus nécessitant un post-traitement massif de données. En mesurant directement, les équipes de recherche obtiennent les mêmes renseignements qu'avec la tomographie quantique, mais beaucoup plus rapidement.

L'expérience


Lorsque la lumière traverse un cristal bifringent, ses composantes polarisées verticales et horizontales divergent. Pour une mesure faible (bas du dessin) les deux composantes sont peu perturbées par le passage dans le système et permettent une seconde mesure suffisamment précise. Pour une mesure forte (haut du dessin), les deux composantes sont entièrement séparées.
Crédits : Jonathan Leach

La technique de mesure directe fait appel à une petite astuce : il s'agit de mesurer la première propriété de sorte que le système ne sera pas perturbé, et qu'il sera encore possible d'obtenir de l'information sur la deuxième propriété. Cette technique repose sur une mesure "faible" de la première propriété, suivie d'une mesure "forte" de la seconde propriété. La mesure "faible" a été décrite il y a 25 ans, elle consiste à coupler l'échantillon mesuré et le système de mesure elle-même de manière à ce que ce dernier ne perturbe pas le processus de mesure. La limite de cette technique est qu'une seule mesure produit une petite quantité d'information et il faut donc répéter l'expérience à de multiples reprises pour obtenir une moyenne suffisamment précise.

Boyd, et al. ont utilisé la position et le moment de la lumière comme témoin de l'état de polarisation. Pour laisser un degré de liberté spatial à la mesure de la polarisation, ils ont utilisé des cristaux bifringents qui sépare spatialement la lumière en fonction de sa polarisation. Par exemple si la lumière est faite d'une combinaison de composantes polarisées verticalement et horizontalement, chacune de ces composantes va se séparer en un rayonnement spécifique de sa polarisation. L'épaisseur de ce cristal joue sur la force "faible" ou "forte" de la mesure et détermine un degré de séparation petit ou grand.

Dans cette expérience, Boyd et ses collègues ont fait passer de la lumière polarisée à travers deux cristaux de différentes épaisseurs : un premier très fin qui mesure "faiblement" la polarisation verticale ou horizontale; et le second, bien plus épais, qui mesure "fortement" les états de polarisation diagonaux et anti-diagonaux. La première mesure faible perturbe suffisamment peu le système pour que la deuxième valeur reste valable. L'expérience a été réalisée plusieurs fois pour permettre des statistiques précises. En ajoutant tous ces résultats, on peut caractériser complètement et directement les états de la lumière. Les autres membres de l'équipe sont le chercheur associé Jonathan Leach et les étudiants de premier cycle de l'Université d'Ottawa Jeff Z. Salvail, Megan Agnew et Allan S. Johnson, ainsi qu'Eliot Bolduc, étudiant diplômé.

Ce travail a été financé par le Programme de Chaires d'Excellence en Recherche du Canada avec le soutien du programme DARPA InPho.

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Pour en savoir plus, contacts :

- Jeff Z. Salvai - étudiant à l'Université d'Ottawa et premier auteur de l'article - adresse accessible sur la page de l'article.
- Salvail, Jeff Z., Megan Agnew, Allan S. Johnson, Eliot Bolduc, Jonathan Leach, et Robert W. Boyd. 2013. "Full characterization of polarization states of light via direct measurement". Nature Photonics (mars 3). doi:10.1038/nphoton.2013.24. http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nphoton.2013.24.

Code brève
ADIT :
72572

Sources :

Communiqué du 5 mars 2013 de l'université d'Ottawa - http://www.uottawa.ca/medias/communique-2756.html

Rédacteurs :

Félix Portello - attaché scientifique à Ottawa et coordinateur du BE Canada - felix.portello@diplomatie.gouv.fr

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Origine :

BE Canada numéro 417 (15/03/2013) - Ambassade de France au Canada / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/72572.htm
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