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Une anomalie dans l'interférence quantique de la lumière

Publié le 16 juin 2023 – Mis à jour le 19 juin 2023

Des scientifiques viennent de mettre en évidence un phénomène d'interférence quantique inattendu. En effet, l'équipe de Nicolas Cerf – Ecole polytechnique de Bruxelles – a montré que « l’effet de troupe » des photons, appelé photon bunching dans le jargon technique, présente des anomalies significatives par rapport à ce qui était communément admis. Cette recherche est publiée dans Nature Photonics.

En physique quantique, il est habituellement admis qu'il existe une dualité fondamentale entre l'aspect ondulatoire et l'aspect corpusculaire de la lumière : celle-ci est soit une onde, soit constituée de particules appelées photons. Cette dualité se manifeste dans diverses expériences où l'on observe le regroupement des photons, un effet ondulatoire qui n'existe que s'il est impossible de distinguer les photons les uns des autres. Ce regroupement disparaît dès lors qu'il est possible de retracer le chemin individuel qui est pris par chaque photon dans l'expérience.

Pourtant, contre toute attente, l'hypothèse d'un lien absolu entre le regroupement des photons et la possibilité de discerner ceux-ci a récemment été mise en défaut par l’équipe de Nicolas Cerf – Centre for Quantum Information and Communication de l’Ecole polytechnique de Bruxelles.

Pour ce faire, l’équipe constituée de Nicolas Cerf, Benoît Seron et Leonardo Novo a proposé une expérience de pensée constituée d'un interféromètre alimenté par sept photons et a étudié les configurations dans lesquelles tous ces photons se regroupent sur deux chemins de sortie.

« Étant donné le principe de complémentarité, on s'attendait à ce que le regroupement soit maximum lorsque tous les photons ont la même polarisation et donc que l'on ne peut pas retracer leurs chemins individuels dans l'interféromètre », explique Nicolas Cerf.

Cependant, grâce à un lien avec la théorie mathématique des permanents, les scientifiques ont démontré qu'il existe des structures particulières de polarisation qui contredisent ce qui était considéré jusqu'ici comme une règle générale.

« On a observé que la probabilité de regroupement peut être encore plus élevée que dans le cas de photons de même polarisation, et ceci bien que les photons puissent alors être partiellement discernés via leur polarisation » souligne le Professeur.

En plus d'être très surprenante pour la physique fondamentale des interférences quantiques, cette découverte trouve sa place dans le cadre des développements récents de la photonique quantique, qui a notamment pour objet de concevoir un ordinateur quantique qui supplanterait tous les supercalculateurs actuels.