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Chapitre 10 • Le photon : une introduction à la physique quantique
L'expérience
4 que nous allons décrire, réalisée à l'Institut d'Optique d'Orsay,
permet de bien mettre en évidence l'étrangeté de la dualité onde-corpuscule.
Elle consiste à envoyer de manière répétitive un photon unique à lentrée de
l'interféromètre de Mach-Zehnder et à réaliser successivement deux séries de
mesures :
• La première (figure 10. 1 Ob) consiste à détecter d'éventuelles coïncidences
entre les arrivées des photons sur deux compteurs de photons 01 et 0 2 insérés sur les deux voies de sortie Vi et V 2 de la lame semi-réfléchissante L1 .
L'expérience n'en détecte aucune aux incertitudes expérimentales près, ce qui
veut bien dire que le photon incident isolé est passé soit sur la voie V1 soit sur
la voie V 2 , mais jamais sur les deux à la fois : comme indiqué plus haut, on ne
peut pas couper en deux un photon .
• Dans la deuxième série, on retire les compteurs de photons 01 et 0 2 , et on
aligne l'interféromètre de Mach-Zehnder en recombinant les deux faisceaux Vi
et V 2 sur la lame L 2 . On met un compteur de photons sur le faisceau de sortie,
qui enregistre le signal N(o) résultant de l'accumulation pendant un temps T
donné des comptages pour une différence de trajet o donnée . On change ensuite la valeur de o et on répète l'expérience. La figure 10.1 Oc donne le nombre
de photons N(o) en fonction de o pour des valeurs de plus en plus grandes de T.
On constate qu'on voit apparaître peu à peu la variation sinusoïdale du signal
en fonction de o, démontrant comme dans le cas du biprisme le caractère à
la fois ondulatoire et statistique des phénomènes liés à ces photons uniques.
Mais la situation est nouvelle car on est maintenant sûr, grâce à l'expérience
précédente, que le photon n'est passé que par un seul des deux chemins possibles!
Cette expérience illustre donc la propriété quantique surprenante, voire paradoxale, que le phénomène d'interférence se produit, non pas lorsque deux photons se « retrouvent » après avoir pris des chemins différents, mais bien lorsqu'un seul photon « a le choix » entre deux chemins possibles. Le photon passe
en quelque sorte «à la fois » par les deux chemins, de manière à être sen -
sible à o et par un seul de ces chemins, pour ne pas donner lieu à comptage
en coïncidence. On a ici une illustration du phénomène spécifiquement quantique d'interférence de chemin, où ce sont les différentes «histoires» possibles
de la particule qui donnent lieu à interférence avec addition des amplitudes de
probabilité correspondantes.
4. A. Aspect, P. Grangier, G. Roger Europhysics Letters vol.l , p. 173 1986.
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Chapitre 10 • Le photon : une introduction à la physique quantique
L'expérience
4 que nous allons décrire, réalisée à l'Institut d'Optique d'Orsay,
permet de bien mettre en évidence l'étrangeté de la dualité onde-corpuscule.
Elle consiste à envoyer de manière répétitive un photon unique à lentrée de
l'interféromètre de Mach-Zehnder et à réaliser successivement deux séries de
mesures :
• La première (figure 10. 1 Ob) consiste à détecter d'éventuelles coïncidences
entre les arrivées des photons sur deux compteurs de photons 01 et 0 2 insérés sur les deux voies de sortie Vi et V 2 de la lame semi-réfléchissante L1 .
L'expérience n'en détecte aucune aux incertitudes expérimentales près, ce qui
veut bien dire que le photon incident isolé est passé soit sur la voie V1 soit sur
la voie V 2 , mais jamais sur les deux à la fois : comme indiqué plus haut, on ne
peut pas couper en deux un photon .
• Dans la deuxième série, on retire les compteurs de photons 01 et 0 2 , et on
aligne l'interféromètre de Mach-Zehnder en recombinant les deux faisceaux Vi
et V 2 sur la lame L 2 . On met un compteur de photons sur le faisceau de sortie,
qui enregistre le signal N(o) résultant de l'accumulation pendant un temps T
donné des comptages pour une différence de trajet o donnée . On change ensuite la valeur de o et on répète l'expérience. La figure 10.1 Oc donne le nombre
de photons N(o) en fonction de o pour des valeurs de plus en plus grandes de T.
On constate qu'on voit apparaître peu à peu la variation sinusoïdale du signal
en fonction de o, démontrant comme dans le cas du biprisme le caractère à
la fois ondulatoire et statistique des phénomènes liés à ces photons uniques.
Mais la situation est nouvelle car on est maintenant sûr, grâce à l'expérience
précédente, que le photon n'est passé que par un seul des deux chemins possibles!
Cette expérience illustre donc la propriété quantique surprenante, voire paradoxale, que le phénomène d'interférence se produit, non pas lorsque deux photons se « retrouvent » après avoir pris des chemins différents, mais bien lorsqu'un seul photon « a le choix » entre deux chemins possibles. Le photon passe
en quelque sorte «à la fois » par les deux chemins, de manière à être sen -
sible à o et par un seul de ces chemins, pour ne pas donner lieu à comptage
en coïncidence. On a ici une illustration du phénomène spécifiquement quantique d'interférence de chemin, où ce sont les différentes «histoires» possibles
de la particule qui donnent lieu à interférence avec addition des amplitudes de
probabilité correspondantes.
4. A. Aspect, P. Grangier, G. Roger Europhysics Letters vol.l , p. 173 1986.
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