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Article
Le photon dévoile
ses secrets et ouvre la porte d'un nouveau monde
physique
par
René Trégouët, Sénateur honoraire,
fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
31/03/07
Le
sénateur Trégouêt nous a autorisé
à reprendre dans notre revue ses articles qui
s'inscrivent directement dans nos centres d'intérêts.
C'est bien le cas de celui-ci, dont on appréciera
le contenu ... et la conclusion
L'article original se trouve sur le site de @RT Flash,
lettre 424 http://www.tregouet.org/article.php3?id_article=481#Chapo
|
En quelques semaines, trois expériences tout à
fait remarquables et complémentaires ont considérablement
fait progresser notre connaissance du photon, cette particule
élémentaire de lumière, vecteur de
l'interaction électromagnétique et ont
conforté le cadre théorique de la mécanique
quantique élaboré depuis 70 ans.
La
première de ces expériences
fera date dans les annales de la science, peut-être
au même titre que l'expérience historique
d'Alain Aspect en 1982 sur les photons corrélés
: après quinze années d'efforts, une
équipe de physiciens du Laboratoire Kastler-Brossel
de l'École normale supérieure a réalisé
un vieux rêve des physiciens : voir un photon sans
le détruire.
«Ce
chef-d'oeuvre expérimental», comme le décrit
Ferdinand Schmidt-Kaler, physicien de l'université
d'Ulm, a eu les honneurs d'une publication dans la prestigieuse
revue britannique Nature. Au-delà des applications
possibles de ce procédé pour réaliser
des briques de base des futurs ordinateurs quantiques, «l'expérience
illustre de manière très délicate un
aspect fondamental de la mécanique quantique, celui
de la mesure», précise Serge Haroche, membre
de l'équipe de l'ENS et professeur au Collège
de France. Quand on arrive dans l'étrange monde de
la physique quantique, il est en effet impossible d'observer
une particule sans perturber son comportement et sa "nature".
Tous
les dispositifs de mesure de la lumière, que ce soit
l'oeil ou des photorécepteurs électroniques,
ne fonctionnent que grâce au « sacrifice »
du photon, qui disparaît et se transforme en énergie
dès qu'il interagit avec la matière.
« Pour mesurer à plusieurs reprises un photon
sans le détruire, il faut réunir deux conditions
très exotiques, explique Michel Brune, du Laboratoire
Kastler-Brossel (LKB, unité mixte CNRS, ENS, Collège
de France et Université Paris-VI) et cosignataire
de l'étude.
"Il
faut d'une part mesurer le photon sans lui prendre son énergie.
D'autre part, pour le voir plusieurs fois, il faut se donner
du temps, or il voyage à la vitesse de la lumière.»
La première condition a été remplie en
mettant au point une méthode de détection utilisant
des atomes dans un état très spécial,
qui varie très subtilement en présence ou non
d'un photon. Ces atomes, dits de Rydberg, agissent comme de
très grandes antennes sensibles au champ électromagnétique
de la lumière.
Le
problème du temps d'observation a été
résolu grâce à un piège à
photons, une cavité formée par deux miroirs
supraconducteurs qui se font face. Ces miroirs métalliques
placés à 3 cm l'un de l'autre sont refroidis
à moins d'un degré au-dessus du zéro
absolu pour être les plus réfléchissants
possibles. «Ils peuvent renvoyer chaque grain de
lumière sans perte plus d'un milliard de fois, ce qui
permet de stocker un photon pendant 0,13 seconde, période
pendant laquelle il parcourt 39 000 km, soit de l'ordre de
grandeur de la circonférence terrestre»,
explique avec enthousiasme Michel Brune. En conservant ainsi
en boîte un photon pendant un temps relativement long,
les physiciens ont réalisé une expérience
décisive imaginée par Albert Einstein lui même.
La
deuxième expérience, non moins
importante, visait à trancher une question fondamentale
qui taraude les physiciens depuis 70 ans : sachant qu'en mécanique
quantique, un photon se comporte, selon la méthode
d'observation retenue, soit comme une onde, soit comme une
particule ponctuelle, à quel moment exactement ce photon
fait-il ce choix ?
Cette
question a été élucidée par
une équipe du laboratoire de Photonique quantique
et moléculaire (CNRS/Ecole Normale Supérieure
de Cachan) conduite par Jean-François Roch et François
Treussart, en collaboration avec Philippe Grangier et Alain
Aspect (CNRS/Université Paris 11). Les chercheurs
ont mis en oeuvre, pour la première fois de façon
très fidèle, une idée proposée
dans les années 70 par John Wheeler, l'un des
plus grands physiciens du XXe siècle.
Il
s'agit en fait de retarder le plus possible le choix
de l'expérience qui sera menée sur le
photon en attendant que celui-ci soit au milieu de l'appareil
de mesure, ici un interféromètre d'une
longueur de 50 mètres. Une fois le photon “capturé”
dans cet appareil, les chercheurs ont choisi, de manière
aléatoire, la mesure qui a finalement été
effectuée. Mais le photon ne s'est pas laissé
surprendre. Il s'est en effet manifesté comme
une onde lorsqu'on a décidé d'observer
un comportement ondulatoire et s'est comporté
comme un corpuscule lorsqu'on a décidé
d'observer un comportement corpusculaire.
Cette
expérience démontre la validité d'un
des principes fondateurs de la physique quantique : selon
ce principe, une ou plusieurs particules peuvent se comporter,
en fonction de la manière dont on les observe, comme
des particules ponctuelles mais aussi et simultanément
comme des systèmes ondulatoires diffus dans le temps
et dans l'espace. Cette surprenante propriété
a notamment des conséquences fondamentales en matière
de télécommunications et de cryptographie
quantique, un domaine en pleine effervescence actuellement.
C'est
précisément dans ce domaine qu'a eu lieu la
troisième expérience remarquable
qu'il faut évoquer ici. Dans celle-ci, deux télescopes
des îles Canaries ont échangé une information
hautement sécurisée sous forme de photons, battant
le record de transmission sans fil d'une clef de codage indispensable
à la cryptographie quantique. L'équipe d'Anton
Zeilinger, de l'Université de Vienne, a utilisé
un laser pour envoyer des photons codés depuis un télescope
de la Palma vers un autre situé à Tenerife,
à 144 kilomètres de distance.
La
cryptographie quantique utilise des photons pour transporter
la clef qui permet d'accéder aux informations
codées. En effet, si quelqu'un essaie d'intercepter
l'information, la polarisation du photon est modifiée
et l'émetteur comme le récepteur savent
que leur échange a été piraté.
Le système est encore plus efficace si les photons
sont envoyés un par un plutôt que par paquets.
Ces photons peuvent voyager par fibre optique mais à
partir de 100 km le signal se dégrade.
Mais
l'équipe d'Anton Zeilinger a réussi
à transmettre la fameuse clef photon par photon sur
une distance de 144 km. Pour cela Zeilinger et ses collègues
ont eu recours à la téléportation quantique
qui permet, à partir de paires de particules intriquées,
de faire voyager une information sans support physique.
Les chercheurs ont donc créé des paires de
photons ayant la même polarisation pour transmettre
la clef. Le débit est de 178 photons (ou unités
d'information) par seconde, très loin des vitesses
de connexion des réseaux internet. Cependant l'objectif
n'est pas de transmettre une grande quantité
d'informations mais d'avoir le maximum de sécurité.
En
mai 2006, une équipe autrichienne, dirigée
par le Professeur Zeilinger, avait déjà réussi,
pour la première fois, à faire interférer,
comme le prévoit la mécanique quantique, deux
photons provenant de deux sources de photons uniques fonctionnant
chacune à partir de son propre réservoir de
photons.
On
voit donc qu'en moins d'un an notre connaissance et notre
maîtrise du photon a fait des pas de géant, ouvrant
la voie non seulement aux télécommunications
quantiques mais également à l'ordinateur quantique,
utilisant le photon au lieu de l'électron, et pouvant
fonctionner de milliers de fois plus rapidement que nos ordinateurs
classiques les plus puissants. La société canadienne
D-Wave Systems vient d'ailleurs de présenter un prototype
d'ordinateur quantique à 16 qubits qui pourrait être
commercialisé dès 2008 [Voir notre article
"Un ordinateur quantique commercialisé dès
2008 ?" http://www.automatesintelligents.com/labo/2007/mar/ordinateurquantique.html].
La
Grande Bretagne vient, pour sa part, de lancer un ambitieux
programme de recherche sur la photonique, avec le soutien
de l'Europe. Une équipe de physiciens anglais est actuellement
réunie autour d'un projet qui propose de créer
un ordinateur capable de fonctionner uniquement avec l'énergie
lumineuse en lieu et place des composants électroniques
traditionnels.
Enfin,
signalons que des chercheurs d'IBM ont dévoilé,
le 26 mars, un prototype de microprocesseur utilisant des
connexions optiques qui permettraient d'accélérer
jusqu'à huit fois la vitesse actuelle de transfert
de données entre deux puces. Ce microprocesseur,
cadencé à 160 milliards de bits/seconde, permettrait
la transmission d'un film en haute-définition
sur une courte distance en une fraction de seconde, contre
une demi-heure pour les connexions internet à haut
débit couramment disponibles, a indiqué IBM.
En
dévoilant ses secrets et ses fascinantes propriétés,
le photon est bien en train de nous ouvrir les portes d'un
nouveau monde et ouvre d'immenses perspectives scientifiques
et technologiques dans une multitude de champs d'application,
au premier rang desquels se trouve évidemment celui
des ordinateurs optiques et des réseaux optiques
à très haut débit que j'ai évoqué
dans mon éditorial de la semaine dernière.
Souhaitons
que la France, qui excelle sur le plan théorique dans
cette compétition scientifique, ne se laisse pas distancer
et se donne également les moyens de concevoir et de
produire les ordinateurs, systèmes et réseaux
quantiques qui seront demain au coeur d'une nouvelle révolution
technologique et industrielle.
