Ou étiez-vous, photons ?

Je vous propose ci-dessous ma traduction d'un article récent [1] que j'ai trouvé fort bien fait sur un sujet difficile d'accès : la mécanique quantique. L'expérience décrite est géniale, et son interprétation par une symétrie du temps me titille particulièrement les neurones...

Résumé

Avec une nouvelle version de la fameuse expérience des fentes de Young, des physiciens israéliens viennent de mesurer un phénomène bizarre même selon les standards contre-intuitifs de la mécanique quantique. En plaçant deux fentes de Young sur le trajet d'une expérience avec deux autres fentes de Young, les chercheurs ont montré que des photons traversent une partie de l'installation dans laquelle ils n'entrent pas, ni ne sortent. Selon cette équipe, cet effet se comprend le plus facilement en invoquant une interprétation non conventionnelle de la mécanique quantique proposée dès 1964, le "formalisme vectoriel à deux états".

L'expérience

Expérience de Young version aquatique. Cliquez pour une très bonne video

La démonstration la plus simple et convaincante de la dualité onde-corpuscule est probablement la fameuse expérience des fentes de Young. Des particules comme les photons ou les électrons émis un à un se comportent comme des ondes lorsqu'ils traversent deux fentes étroites rapprochées, et forment un motif d'interférence sur un écran.

Dans une version récente de l'expérience, Lev Vaidman et ses collègues de l'Université de Tel-Aviv ont utilisé des interféromètres de Mach-Zehnder comme double fentes de Young, et des photons comme particules. L'interféromètre optique utilise un miroir semi-réfléchissant pour diviser le faisceau de photons en deux chemins distincts qui sont recombinés et envoyés à un détecteur. Toute différence de longueur entre les deux chemins influence l'interférence des deux rayons lorsqu'ils sont recombinés, ce qui modifie l'intensité mesurée par le détecteur.

Trois chemins possibles

Dans l’expérience de Tel-Aviv, un interféromètre de Mach–Zehnder "interne" est placé sur l'un des chemins d'un interféromètre "externe" de façon à ce que le faisceau recombiné poursuive son chemin à travers l'appareil "externe" jusqu'à un détecteur (voir la figure ci-dessous). Un photon a donc trois chemins possibles entre sa source et le détecteur. Le but de l'expérience est de découvrir quels chemins ont été empruntés par les photons arrivant au détecteur, du moins une partie d'entre eux. Ceci s'appelle une "mesure faible", et est consistant avec les lois de la mécanique quantique car ça n'implique pas de mesurer la trajectoire suivie par un photon spécifique.

Avec le "formalisme vectoriel à deux états", la probabilité de trouver un photon est définie par une onde se propageant depuis la source (en rouge) et une onde se rétro-propageant depuis le détecteur (en vert). Un photon ne peut se trouver que là où les deux sont non nulles . (illustration: Lev Vaidman)

Pour effectuer leurs mesures, les physiciens ont fait vibrer les miroirs des interféromètres chacun à une fréquence différente. En vibrant, chaque miroir altère légèrement la longueur du rayon lumineux qu'il réfléchit, ce qui change l'intensité détectée. Comme chaque miroir vibre à une fréquence distincte, la présence d'un pic à chacune de ces fréquences sur le signal détecté indique que des photons sont passés par le miroir correspondant.

Les chercheurs ont ajusté la longueur des chemins à travers l'interféromètre interne pour que les deux rayons interfèrent de manière destructive lors de leur recombinaison. De ce fait, aucune lumière ne peut quitter l'interféromètre interne. On pourrait donc attendre que la seule oscillation détectée provienne du miroir C contournant l'interféromètre interne, mais ce n'est pas ce que les chercheurs ont trouvé

Conclusion bizarre

L'intensité détectée oscille effectivement à la fréquence du miroir C, mais aussi à celles des miroirs de l'interféromètre interne A et B. Pourtant elle n'oscille pas aux fréquences des miroirs E et F situés à l'entrée et à la sortie de celui-ci. Ceci mène à la bizarre conclusion que certains photons reçus au détecteur ont passé à travers l'interféromètre interne, mais n'y sont jamais entrés ni sortis.

Les chercheurs pensent que ceci valide une des interprétations minoritaires de la mécanique quantique appelée "formalisme vectoriel à deux états" ("two-state vector formalism"). Elle a été proposée en 1964 déjà par Yakir Aharonov, Peter Bergmann et Joel Lebowitz. Avec cette interprétation, la probabilité de trouver une particule à un certain endroit est le produit de deux vecteurs, l'un évoluant à partir de la source, l'autre remontant le temps à partir du détecteur.

Un photon ne peut toucher un miroir que si et seulement si les deux ondes ne sont pas nulles en ce point. L'interféromètre interne fait que toute onde qui le quitte est identiquement nulle. L'onde allant vers le futur (rouge sur l'illustration) ne passe pas par le miroir F, donc aucun photon ne peut s'y trouver. Quant à l'onde remontant le temps à travers l'interféromètre interne (en vert) , elle ne passe pas par le miroir d'entrée E, donc aucun photon ne peut s'y trouver non plus. Pourtant, dans l'interféromètre interne les deux ondes sont non nulles, donc les photons passent par les deux chemins incluant les miroirs A et B.

Intuitions et explications

Vaidman insiste sur le fait que le "formalisme vectoriel à deux états" ne fait en réalité pas de prédictions différentes de celles de l'approche conventionnelle de la mécanique ondulatoire conçue par Erwin Schrödinger dans les années 1920. Cependant, les résultats de cette expérience semblent hautement contre-intuitifs et sont difficiles à rationaliser par la méthode traditionnelle. Selon Vaidman "Vous pouvez définir des constantes et vous pouvez avoir des intuitions sur ce qui se passe à l'aide du formalisme vectoriel à deux états, mais rien de ce que la mécanique quantique standard ne peut expliquer en fin de compte."

Onur Hosten de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign n'a pas participé à l'expérience et estime que, formalisme vectoriel à deux états ou pas, l'effet est produit par le fait qu'une mesure faible perturbe inévitablement le système. Faire osciller les miroirs change la longueur des chemins, ce qui détruit l'interférence destructive parfaite et permet à la fonction d'onde de s'échapper. "De mon point de vue, c'est vraiment intéressant de comprendre pourquoi on obtient ces résultats", dit Hosten, "mais il est aussi intéressant qu'une mesure faible fournisse des réponses déconcertantes".

Références:

Tim Wogan "Physicists ask photons : Where have you been ?", 26 novembre 2013, physicsworld.com
Ariel Danan, Demitry Farfurnik, Shimshon Bar-Ad, Lev Vaidman "Asking photons where have they been" arXiv:1304.7469v2 [pdf], soumis à Physical Review Letters
Aephraim Steinberg, Amir Feizpour, Lee Rozema, Dylan Mahler and Alex Hayat "In praise of weakness", 7 mars 2013, physicsworld.com