Et demain ? La lumière sera-t-elle à l'origine d'une seconde révolution quantique ? Après la première, qui a donné naissance au laser et au transistor au XXe siècle, cette deuxième révolution est fondée sur la possibilité de manipuler grâce, entre autres, à la lumière, les propriétés les plus déroutantes de la matière, avec des applications prometteuses comme la cryptographie quantique – le fait de rendre un message inviolable. En témoignent ici quelques équipes du CNRS qui planchent sur ces sujets. Depuis une centaine d'années qu'elle sévit, la mécanique quantique1 n'a jamais cessé de défier le sens commun. Avec elle, un photon peut être à la fois une onde et une particule. Et le fameux chat imaginé par le physicien Erwin Schrödinger en 1935 peut être en même temps mort et vivant. Pour sonder les mystères quantiques et confirmer les prédictions les plus déroutantes de l'étrange théorie, la lumière n'a pas son pareil. Aujourd'hui, elle ouvre aux physiciens de nouveaux terrains de jeu qui pourraient bien recéler des applications inattendues.
© C. Legay/CA2M
Au laboratoire de l'unité mixte internationale Georgiatech-CNRS, à Metz, les chercheurs mettent au point des protocoles de cryptage inviolable fondés sur les propriétés quantiques de la lumière, pour les télécommunications optiques.
Onde et particule à la fois
Dernière confirmation en date des bizarreries quantiques, une expérience réalisée par l'équipe de Jean-François Roch, au Laboratoire de photonique quantique et moléculaire (LPQM)2, à Cachan, en collaboration avec Philippe Grangier et Alain Aspect, lauréat en 2005 de la médaille d'or du CNRS, au Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'optique (LCFIO)3, à Orsay, qui a montré que même réduite à un seul grain, la lumière reste une onde. Cette expérience met en jeu un photon unique et un dispositif permettant de séparer une onde en deux, les deux parties de cette dernière empruntant alors deux chemins distincts, avant leur recombinaison. Comme l'avaient montré dans les années 1980 Alain Aspect et Philippe Grangier, si le dispositif reste inactif, un photon unique se présentant à l'entrée est détecté en sortie comme ayant emprunté l'un ou l'autre chemin possibles. Normal, c'est une particule. Mais si l'appareil est mis en route, on observe à la sortie des « interférences » lumineuses que seule la recombinaison de deux ondes peut générer. Preuve que le photon a emprunté les deux chemins en même temps ! Comme l'explique Alain Aspect, « les propriétés des objets dépendent des appareils de mesure. Dans le premier cas, vous cherchez à savoir si le photon va d'un côté ou de l'autre : vous avez la réponse. Dans l'autre, vous cherchez à créer un phénomène d'interférence entre deux ondes : c'est ce que vous observez ! »
Sauf que dans la dernière version de cette expérience, mise en place cette année, les physiciens ont ajouté la subtilité suivante : ils ont d'abord laissé entrer le photon unique dans l'interféromètre, avant de décider d'activer ou pas le processus de recombinaison en sortie. Conclusion : la même que précédemment. Autrement dit, tout se passe comme si le photon avait adapté son comportement à l'entrée de l'appareil (emprunté un chemin ou l'autre, telle une particule, ou bien les deux chemins simultanément, comme une onde), en fonction d'une information fournie seulement plus tard (activer ou pas le dispositif de recombinaison). Pour Alain Aspect, « cette expérience, si elle s'interprète sans le moindre problème dans le formalisme de la mécanique quantique, met tout de même un peu mal à l'aise avec le principe selon lequel une cause doit précéder ses effets ».
La théorie en action
Qu'elles les surprennent ou pas, les physiciens ont appris à travailler avec les propriétés les plus délicates de la lumière. La preuve avec les récents travaux de Serge Haroche et son équipe, au Laboratoire Kastler Brossel (LKB)4, à Paris. Ainsi, lorsque l'on veut déterminer l'état d'un photon, sa polarisation5 par exemple, on doit accepter que la mesure, en même temps qu'elle nous renseigne, détruise irrémédiablement la particule. Devant faire avec cette contrainte, les physiciens sont tout de même parvenus à détecter la présence d'un photon dans une cavité sans le perturber. Comment ? En faisant traverser la cavité par des atomes de rubidium. Comme l'explique le physicien, « la présence d'un photon modifie légèrement une de leurs propriétés : la fréquence de la transition atomique, autrement dit la fréquence du passage de l'atome d'un état à l'autre. En mesurant cette dernière, on sait ainsi si un photon se trouve ou non dans la cavité sans le perturber ». De cette façon, les scientifiques sont parvenus à « observer » des photons pendant un dixième de seconde, soit le temps pour ceux-ci de rebondir un milliard de fois contre les parois de la cavité de 2,7 centimètres de côté, parcourant une distance comparable à la circonférence terrestre !
De leur côté, Philippe Grangier et son équipe sont récemment parvenus à créer un « chat de Schrödinger » avec une impulsion lumineuse, soit un paquet de photons dont le champ électrique associé prend simultanément deux valeurs, correspondant aux états « mort » et « vivant » du chat ! « Avec un photon unique, l'objet quantique par excellence, ça n'a rien d'extraordinaire, commente le chercheur. Mais avec une impulsion lumineuse, c'est autre chose. D'une certaine manière, en augmentant la taille du système considéré, nous nous rapprochons d'un chat véritable ! »
© LKB
Schéma de la « boîte à photons » dans laquelle l'équipe de Serge Haroche a observé des photons uniques sans les perturber, durant un dixième de seconde. Soit le temps pour le photon de parcourir une distance égale à la circonférence de la Terre en rebondissant sur les parois de la cavité.
Applications quantiques
Toutes ces expériences pourraient n'être que des prouesses fondamentales si les physiciens ne voyaient dans la possibilité de manipuler finement la lumière tout un champ d'applications possibles, comme le Graal des physiciens, l'ordinateur quantique. Pour battre des records de vitesse, celui-ci utiliserait les étonnantes propriétés de particules comme les photons. En effet, puisqu'un système quantique peut être dans différents états en même temps, cela permettrait d'avoir des unités d'information (des bits) qui ne vaudraient plus 0 ou 1 mais 0 et 1 à la fois. Cela augmenterait de manière exponentielle la vitesse de calcul, puisque toutes les combinaisons de 0 et de 1 seraient explorées simultanément. Mais on en est encore loin, alors que s'il est bien un domaine déjà en plein essor, c'est celui de la cryptographie quantique, dont l'enjeu est la possibilité d'utiliser les propriétés quantiques de la lumière pour envoyer des messages codés inviolables, via un réseau de télécommunications à fibres optiques. De quelle manière ? En encodant par exemple une suite de 0 et de 1 dans la polarisation droite ou gauche de photons. Comme l'explique Abdallah Ougazzaden, au laboratoire de l'unité mixte internationale Georgia Tech-CNRS, à Metz6, qui teste actuellement des réseaux pour des communications quantiques, « les lois de la mécanique quantique indiquent que l'on ne peut déterminer l'état d'un système sans modifier cet état. Donc si l'on code la clé d'un message dans un système quantique, tels des photons, on garantit que toute lecture du message clé par un espion, durant la transmission, sera automatiquement repérée. De plus, on peut évaluer la quantité d'information éventuellement dérobée ».
Plusieurs systèmes de cryptographie quantique ont déjà été commercialisés, qui sont essentiellement utilisés par les banques ou les militaires. Mais ils ne sont souvent efficaces que pour des communications ne dépassant pas la centaine de kilomètres. Pour aller au-delà, les physiciens apprennent à domestiquer une propriété encore plus étrange des systèmes quantiques : l'intrication, un phénomène prouvé au début des années 1980 par Alain Aspect. Soit la possibilité de lier plusieurs objets quantiques (des photons par exemple), de telle manière que toute modification sur l'un se traduise instantanément par une modification sur les autres, quelle que soit la distance qui les sépare. Comme si plusieurs objets ne faisaient qu'un. « En utilisant des photons intriqués, on garantit l'inviolabilité d'un message sur une très grande distance », indique Philippe Grangier. Pour l'heure de tels systèmes sont testés en laboratoire. Mais la révolution est bel et bien en marche.
Mathieu Grousson
| Les solides en lumière  © F. Chevy Pour comprendre le comportement d'électrons dans un solide, les chercheurs observent dans une matrice de lumière des atomes refroidis. Ici, le passage d'un état à un autre. Depuis quelques années, les spécialistes de la lumière viennent en aide aux physiciens de la matière condensée, qui s'intéressent aux phénomènes complexes liés aux électrons dans les solides. Que ce soit expérimentalement ou sur le papier, certains de ces mécanismes sont en effet toujours inexpliqués. Alors pour mieux les comprendre, les chercheurs simulent désormais le comportement d'électrons dans un solide : pour jouer le rôle de ces particules fugitives, ils utilisent des atomes refroidis (et donc ralentis) dans le champ électromagnétique d'un laser. La géométrie de celui-ci est façonnée de manière à mimer les interactions rencontrées par les électrons dans un solide. Grâce aux atomes froids, plusieurs questions de matière condensée ont déjà reçu un nouvel éclairage. « Prochainement, nous espérons étudier de cette façon la question de la supraconductivité1 dite à haute température critique, un phénomène dont l'origine est controversée », indique Jean Dalibard, au Laboratoire Kastler Brossel, à Paris. De leur côté, Alain Aspect et Philippe Bouyer, à l'Institut d'optique, à Orsay, sont à la recherche d'un phénomène appelé localisation d'Anderson, lié aux interactions entre électrons dans un milieu désordonné, et très difficile à observer dans un solide. |
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