Une intrication peut en cacher une autre !

Publié par Redbran le 22/02/2021 à 13:00
Source: CEA
Un physicien théoricien de l'IPhT et ses partenaires de l'EPFL (Suisse) et du MIT (États-Unis) ont démontré une forme temporelle d'intrication quantique qui leur a permis de mettre en évidence, pour la première fois, une très forte intrication entre un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) et un phonon (En physique de la matière condensée, un phonon (du grec ancien...), dans un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) de diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la...) à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ambiante. Leur expérience permet de sonder la cohérence de phonons uniques à des échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) très courtes, ce qui ouvre la voie à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) pour des technologies quantiques ultra-rapides.


(c) Cemile Bingol

L'intrication (ou enchevêtrement) de deux états quantiques distants a beau être de plus en plus vulgarisée auprès du grand public, elle reste difficile à saisir. Dans sa version la plus "simple", deux photons distincts sont "réunis" dans un même état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il...), ce qui se manifeste par une étroite corrélation entre leurs états de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) individuels. Alors que la mesure du premier photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) révèle une polarisation aléatoire, le second est toujours polarisé suivant la même direction que celle de son "jumeau (Littéralement, le terme jumeau se réfère à tous les individus (ou l'un de...)" !

Des physiciens ont imaginé deux intrications "gigognes", beaucoup plus délicates à décrire. La première réunit un photon et un quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) de vibration cristalline (phonon). L'émission du photon est très fortement corrélée à la création du phonon mais leur observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) est hors d'atteinte. La deuxième intrication réunit deux couples photon-phonon créés successivement. Alors que la mesure du photon (possible, cette fois) révèle un temps de création aléatoire, le phonon est toujours créé au même instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) !

Résultat: les mesures de ces états intriqués temporellement violent les "inégalités de Bell (En mécanique quantique, les inégalités de Bell (du nom de leur auteur : John...)", ce qui prouve, non seulement la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de l'intrication entre les deux instants de création des couples photon-phonon, mais aussi celle de l'intrication liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre....) photon et phonon, ce qui est une première mondiale.

Cette expérience a aussi permis aux chercheurs de mesurer la durée de cohérence d'un phonon unique (quelques picosecondes) en dépit de sa brièveté. La technique mise en œuvre peut s'appliquer à toutes sortes de cristaux (poudres, matériaux synthétiques, etc.). Peut-être révèlera-t-elle, un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) qui se prêtera au développement de technologies quantiques ultra-rapides...

Comment l'intrication photon-phonon est-elle produite ?

Un cristal de diamant à température ambiante est éclairé par deux impulsions laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) ultra-courtes successives (write et read), séparées de quelques picosecondes (10-12 s). Leurs longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) sont accordées précisément sur des niveaux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) du diamant.

Très rarement, un des photons write est converti en un quantum de vibration du cristal (phonon) et un photon de moindre énergie (photon Stokes). Dans ce cas, quelques picosecondes plus tard, un photon read est absorbé en même temps que le phonon par le cristal, qui émet un photon de plus grande énergie (photon anti-Stokes).

Ces événements se produisant très rarement (une fois sur mille), malgré le grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de photons composant l'impulsion laser ultra-courte. Mais lorsqu'ils se produisent, la création d'un photon Stokes s'accompagne toujours de la création d'un phonon. Le nombre de photons Stokes est donc étroitement corrélé au nombre de phonons, lui-même étroitement corrélé au nombre de photons anti-Stokes. Ces corrélations sont de nature quantique: la paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) Stokes-phonon est intriquée au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) où elle est à la fois absente et présente. Ceci entraîne une intrication des paires photon Stokes-photon Anti-Stokes, difficile à démontrer expérimentalement.

En quoi consiste l'intrication temporelle des deux couples photon-phonon ?

Afin de surmonter cette difficulté, les chercheurs utilisent deux jeux successifs d'impulsions write-read (early et late), séparés de 3 nanosecondes (10-9 s), chaque jeu étant susceptible de générer des couples photon-phonon. Ils démontrent que le temps de création des paires de photons Stokes et anti-Stokes est indéfini: les paires sont donc intriquées temporellement.

Tout se passe comme si la forme d'intrication par présence (il existe un couple photon-phonon) ou absence (il n'existe pas de couple photon-phonon) était transformée en intrication temporelle entre (il existe un couple de photons Stokes-anti-Stokes early) et (il existe un couple de photons Stokes-anti-Stokes late). Les mesures montrent que ces deux états sont possibles simultanément.

De plus, il possible de sonder la durée de cohérence du phonon en variant l'écart temporel entre les photons write et read.

Publication:
Références - Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935....) correlations between light and vibration at ambient conditions, Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) Advances
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