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La lumière « comprimée » à son état quantique |
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Krister Shalm, Rob Adamson et Aephraim Steinberg, du département de physique de l’Université de Toronto ont publié leur découverte dans le numéro de janvier de Nature.
« Mesurer avec exactitude est au cœur de la science expérimentale : plus nous pouvons mesurer quelque chose avec certitude, plus nous pouvons en tirer d’information. Mais dans le monde quantique, où les choses sont de plus en plus petites, l’exactitude de la mesure devient de plus en plus difficile à obtenir » indique Krister Shalm.
La lumière est l’un des outils de mesure les plus précis en physique, et a été utilisée pour répondre à de nombreuses questions en science fondamentale, allant de la relativité à la gravité quantique.
La plus petite particule de lumière est le photon, et il est si petit qu’une ampoule ordinaire en émet mille milliards par seconde. « En dépit de la nature effervescente inimaginable de ces particules minuscules, les technologies quantiques modernes n’utilisent que des photons isolés pour stocker et organiser l’information. Mais l’incertitude, que nous appelons aussi « bruit quantique » s’oppose à l’obtention optimale de cette information » explique le Pr. Aephraim Steinberg. « Or, la « compression », nom que nous donnons à un ensemble de différentes méthodes, permet d’augmenter la certitude d’une information donnée, comme la position ou la vitesse, mais ceci a un prix. Si vous comprimez la certitude d’une propriété à laquelle vous vous intéressez, l’incertitude d’une autre propriété complémentaire augmentera inévitablement» explique-t-il.
Lors de cette expérience, les physiciens ont combiné 3 photons isolés à l’intérieur d’une fibre optique, afin de créer un triphoton. « Un des aspects étranges de la physique quantique est que quand vous combinez 3 photons identiques dans des fibres optiques telles que celles qui vous relient à internet, ils subissent une certaine « crise d’identité » : on ne peux plus déterminer ou observer le comportement individuel de chacun de ces photons» explique Steinberg. Les auteurs ont ensuite comprimé l’état triphotonique afin de glaner l’information quantique encodée dans la polarisation du triphoton. (La polarisation est une propriété de la lumière à la base des films tridimensionnels, des lunettes de soleil, et d’un ensemble de technologies de pointe comme la cryptographie quantique.)
Jusqu’à présent, on pensait que l’on pouvait compresser indéfiniment, en tolérant l’augmentation d’incertitude des propriétés non considérées. « Mais le monde de la polarisation, comme la Terre, n’est pas plat » dit Steinberg.
« Un état de polarisation peut être imaginé comme un petit continent flottant sur une sphère. Quand nous avons compressé notre continent triphoton, tout s’est d’abord comporté comme nous le pensions. Mais après l’avoir compressé plus fort encore, le continent s’est mis à s’allonger de telle sorte qu’il a commencé à envelopper la surface de la sphère » explique-t-il.
« Pour pousser la métaphore encore plus loin, toutes les expériences précédentes s’étaient limitées à de si petites zones d’étude que la sphère, comme notre propre ville, avait l’air d’être plate. Ce travail a demandé de cartographier le triphoton sur un globe, que nous avons représenté sous forme d’une sphère afin d’obtenir une visualisation intituitive et compréhensible. C’est ainsi que nous avons montré pour la première fois que la nature sphérique de la polarisation engendre des états qualitativement différents et pose une limite à la compression appliquée» dit Steinberg.
« Créer cet état spécial combiné permet d’étudier attentivement les limites de compression » dit Rob Adamson. « Pour la première fois, nous avons mis sur pied une technique permettant de générer n’importe quel état de triphoton, et montré que la nature sphérique des états de polarisation de la lumière avait des conséquences inévitables. Pour faire simple : pour visualiser correctement les états quantique de la lumière, il faut les dessiner sur une sphère. » |
| http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7225/abs/nature07624.html |
| http://www.physics.utoronto.ca/~aephraim/MusicOfTheSpheres.html |
| http://www.physics.utoronto.ca/~lshalm/media/Site_3/Photos.html |
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Le Traité de la lumière se présente à la fois comme un livre de science et un livre d’art. En cultivant cette double allégeance, les auteurs ont cherché à exorciser les aspects les plus durs de la technoscience d’aujourd’hui.
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Cet ouvrage est le fruit d’une longue pratique d’enseignement et constitue une référence sans équivalent en langue française.
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Après une introduction résumant l’évolution de l’optique, une première partie développe une étude systématique des bases fondamentales de l’imagerie.
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Avec un minimum de développements mathématiques afin de rendre l'ouvrage plus accessible, l'auteur retrace le chemin qui mène des premières observations de spectres lumineux des gaz aux tentatives récentes d'unification des théories sur les interactions faibles et fortes.
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