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Physique quantique : Fondements
• avec des molécules légères (Na 2 )
• avec des fullerènes C 60 (exercice 1.6.1)
et il y a tout lieu de penser que les résultats sont universels, indépendants
du type de particule : atomes, molécules, virus
29 ... Cependant ces résultats
expérimentaux incontournables semblent souffrir d’une difficulté d’interprétation : dans une expérience classique d’interférences de fentes d’Young réalisée
avec des ondes, l’onde incidente se divise en deux ondes qui se recombinent
ensuite et interfèrent, phénomène visible à l’oeil nu pour des ondes à la surface
de l’eau. Dans le cas des neutrons, chaque neutron arrive isolément ; l’intervalle de temps entre deux neutrons successifs est tel que lorsqu’un neutron
est détecté sur l’écran, le neutron suivant est encore dans le réacteur, confiné
dans un atome d’uranium. Est-il envisageable que le neutron se scinde en deux
fractions de neutron, chaque fraction passant par une fente ? Il est facile de
se convaincre que cette hypothèse est absurde : un compteur détecte toujours
un neutron entier, jamais une fraction de neutron !
Le cas des photons est plus complexe : on pourrait imaginer obtenir une
source de photons uniques en atténuant une lumière classique, provenant par
exemple d’une diode électroluminescente (LED) ou d’une diode laser. Prenons le cas d’une diode laser émettant dans le rouge une puissance de 1 mW.
Connaissant la fréquence ν ≃ 3.8 × 10
14 Hz de la lumière émise, on déduit
le flux de photons, environ 4 × 10
15 photons par seconde. Atténuons le faisceau lumineux en réduisant sa puissance à 10
−12 W. Dans ces conditions, la
distance moyenne entre deux photons est de 100 m, ce qui est largement supérieur à la longueur de cohérence (voir § 5.4.2) de la lumière laser, et il semble
raisonnable d’affirmer que l’on a construit une source de photons uniques.
Cependant, cette affirmation est incorrecte. Pour le voir, utilisons le dispositif de la figure 1.11 : une lame séparatrice,o udiviseur de faisceau, divise le
faisceau en un faisceau réfléchi vers le détecteur D 1 et un faisceau transmis
vers le détecteur D 2 . Nous utiliserons souvent des lames séparatrices équilibrées telles que 50 % de l’intensité incidente est réfléchie et 50 % transmise.
Si l’on remplace la source lumineuse par une source de photons uniques, cela
veut dire qu’un photon sera réfléchi une fois sur deux et transmis une fois
sur deux, et un seul des deux détecteurs sera déclenché. Ce n’est pas le cas
avec une source de lumière, laser ou LED. En effet, si I est l’intensité lumineuse moyenne incidente, l’intensité moyenne détectée en D 1 , I 1 et en D 2 , I 2 ,
sera proportionnelle à I, tandis que l’intensité recueillie par l’ensemble des
détecteurs, I 12 est proportionnelle à I 2
I 1 = ηII 2 = ηII 12 = η
2 I 2
29. Cependant, l’observation d’effets ondulatoires est de plus en plus difficile quand
les objets deviennent plus gros, d’abord parce que les longueurs d’onde sont de plus en
plus courtes, mais aussi parce que les effets de la décohérence (§ 11.4.2) sont de plus en
plus importants lorsque la taille de l’objet augmente : voir les articles de revue de Arndt
et al. [2005], de Hornberger et al. [2012] et le § 17.3.5.
Physique quantique : Fondements
• avec des molécules légères (Na 2 )
• avec des fullerènes C 60 (exercice 1.6.1)
et il y a tout lieu de penser que les résultats sont universels, indépendants
du type de particule : atomes, molécules, virus
29 ... Cependant ces résultats
expérimentaux incontournables semblent souffrir d’une difficulté d’interprétation : dans une expérience classique d’interférences de fentes d’Young réalisée
avec des ondes, l’onde incidente se divise en deux ondes qui se recombinent
ensuite et interfèrent, phénomène visible à l’oeil nu pour des ondes à la surface
de l’eau. Dans le cas des neutrons, chaque neutron arrive isolément ; l’intervalle de temps entre deux neutrons successifs est tel que lorsqu’un neutron
est détecté sur l’écran, le neutron suivant est encore dans le réacteur, confiné
dans un atome d’uranium. Est-il envisageable que le neutron se scinde en deux
fractions de neutron, chaque fraction passant par une fente ? Il est facile de
se convaincre que cette hypothèse est absurde : un compteur détecte toujours
un neutron entier, jamais une fraction de neutron !
Le cas des photons est plus complexe : on pourrait imaginer obtenir une
source de photons uniques en atténuant une lumière classique, provenant par
exemple d’une diode électroluminescente (LED) ou d’une diode laser. Prenons le cas d’une diode laser émettant dans le rouge une puissance de 1 mW.
Connaissant la fréquence ν ≃ 3.8 × 10
14 Hz de la lumière émise, on déduit
le flux de photons, environ 4 × 10
15 photons par seconde. Atténuons le faisceau lumineux en réduisant sa puissance à 10
−12 W. Dans ces conditions, la
distance moyenne entre deux photons est de 100 m, ce qui est largement supérieur à la longueur de cohérence (voir § 5.4.2) de la lumière laser, et il semble
raisonnable d’affirmer que l’on a construit une source de photons uniques.
Cependant, cette affirmation est incorrecte. Pour le voir, utilisons le dispositif de la figure 1.11 : une lame séparatrice,o udiviseur de faisceau, divise le
faisceau en un faisceau réfléchi vers le détecteur D 1 et un faisceau transmis
vers le détecteur D 2 . Nous utiliserons souvent des lames séparatrices équilibrées telles que 50 % de l’intensité incidente est réfléchie et 50 % transmise.
Si l’on remplace la source lumineuse par une source de photons uniques, cela
veut dire qu’un photon sera réfléchi une fois sur deux et transmis une fois
sur deux, et un seul des deux détecteurs sera déclenché. Ce n’est pas le cas
avec une source de lumière, laser ou LED. En effet, si I est l’intensité lumineuse moyenne incidente, l’intensité moyenne détectée en D 1 , I 1 et en D 2 , I 2 ,
sera proportionnelle à I, tandis que l’intensité recueillie par l’ensemble des
détecteurs, I 12 est proportionnelle à I 2
I 1 = ηII 2 = ηII 12 = η
2 I 2
29. Cependant, l’observation d’effets ondulatoires est de plus en plus difficile quand
les objets deviennent plus gros, d’abord parce que les longueurs d’onde sont de plus en
plus courtes, mais aussi parce que les effets de la décohérence (§ 11.4.2) sont de plus en
plus importants lorsque la taille de l’objet augmente : voir les articles de revue de Arndt
et al. [2005], de Hornberger et al. [2012] et le § 17.3.5.