le photon est peut-être la plus familière des particules élémentaires. Voyageant à la vitesse de la lumière, les particules nous bombardent quotidiennement du soleil, de la Lune et des étoiles. Depuis plus d’un siècle, les scientifiques et les ingénieurs les exploitent ensemble pour éclairer nos villes et maintenant, nos écrans.

Aujourd’hui, les chercheurs peuvent contrôler les photons avec plus de finesse que jamais. Au National Institute of Standards and Technology (NIST) dans le Maryland, la physicienne Paulina Kuo crée et manipule des photons individuellement., En éclairant des cristaux conçus sur mesure avec de la lumière laser dans son laboratoire, Kuo produit des photons jumeaux, qu’elle peut encore séparer en photons simples. En les dirigeant vers certains matériaux, qui absorbent la particule pour produire des photons de différentes couleurs, elle peut effectivement changer la couleur d’un photon tout en préservant les informations qui y sont codées.

par exemple, elle a conçu un cristal pour doubler la fréquence d’un photon d’entrée, permettant la conversion entre la lumière rouge et infrarouge. « Vous pouvez fusionner deux photons ensemble, ou diviser un photon en deux », dit-elle., « Ou même des processus d’ordre supérieur. Vous pouvez fusionner trois photons en un, ou diviser un photon en trois. »En complément de ces techniques, elle utilise des détecteurs monophotoniques de pointe, constitués de fils supraconducteurs qui deviennent non supraconducteurs lorsqu’ils absorbent un seul photon. Ces types de détecteurs fournissent des comptages très précis, détectant les photons avec une efficacité pouvant atteindre 99%.

Cette technologie à photon unique formera l’épine dorsale d’un futur Internet quantique, un réseau mondial proposé de dispositifs pour transmettre des données codées en photons uniques et autres particules quantiques., Ces données seraient représentées dans les propriétés quantiques d’une particule, telles que la polarisation d’un photon. Contrairement aux données classiques, qui ne peuvent être représentées que par 0 ou 1, les informations dites quantiques prennent des valeurs qui sont des combinaisons pondérées de 0 et 1, ce qui permet de nouveaux algorithmes de calcul potentiellement plus puissants et de nouveaux protocoles de cryptage.

Les défis D’Ingénierie abondent pour l’Internet quantique, tels que les problèmes de perte de signal, dit Kuo. Mais les chercheurs – et leurs gouvernements-ont établi des plans ambitieux., En 2016, l’Union européenne a lancé une initiative de 1 milliard d’euros sur les technologies quantiques. En août, les États-Unis ont créé cinq centres de recherche quantique pour accélérer le développement de la technologie quantique avec jusqu’à 625 millions de dollars promis au cours des cinq prochaines années. Le physicien Pan Jian-Wei, qui a dirigé le lancement en 2016 d’un satellite chinois de technologie quantique de 100 millions de dollars et de ses projets ultérieurs, a décrit l’objectif de construire un internet quantique mondial d’ici 2030.,

de nombreux experts ont qualifié l’ère actuelle de la technologie à photons uniques de « deuxième révolution quantique », un changement de paradigme où les scientifiques comprennent non seulement les principes contre-intuitifs de la mécanique quantique—enchevêtrement, superposition et dualité onde-particule—mais peuvent les exploiter dans les technologies. Le photon n’est plus simplement un objet d’étude, mais un outil.

Donc ce qui, alors, est un photon? Kuo donne une réponse circulaire. « Un photon est le clic enregistré par un détecteur résolvant un seul photon », dit-elle.

des mots plus vagues que ceux de Kuo ont été utilisés pour décrire le photon., C’est une onde et une particule de lumière, ou c’est une quantification du champ électromagnétique. Ou, « Tais – toi et calcule », une phrase familière à tous ceux qui se sont intrigués sur la mécanique quantique.

« Vous pouvez avoir des ennuis si vous donnez trop de réalité au photon », explique le physicien Alan Migdall du NIST.

« Les gens se disputent à ce sujet depuis plus de 100 ans », explique le physicien Aephraim Steinberg de L’Université de Toronto. « Je ne pense pas que nous soyons parvenus à un consensus. »

les Physiciens ont commencé à se disputer sur le photon dès qu’ils ont découvert., Les scientifiques mêmes qui ont conçu les particules étaient sceptiques quant à leur existence fondamentale dans la nature. Pour expliquer des données expérimentales autrement déroutantes concernant la relation de la température d’un objet à son rayonnement émis, en 1900, le physicien allemand Max Planck a proposé que le rayonnement se présente en quantités discrètes, ou quanta. Le concept du photon est né. Mais Planck ne comprenait pas la profondeur de son idée. Il a décrit plus tard sa percée comme « un acte de désespoir »—une astuce non fondée pour faire fonctionner les mathématiques.,

Albert Einstein, lui aussi, a résisté aux implications de la théorie des photons qu’il a contribué à développer. Il était particulièrement dérangé par l’enchevêtrement, l’idée que deux particules peuvent avoir des destins entrelacés, même lorsqu’elles sont séparées l’une de l’autre. La théorie impliquait, par exemple, que si vous mesuriez la polarisation d’un photon dans une paire intriquée, vous connaîtriez instantanément également la polarisation de l’autre, même si les deux particules ont été séparées aux extrémités opposées du système solaire., L  » enchevêtrement a suggéré que les objets peuvent s « influencer les uns les autres de très loin arbitrairement, connu sous le nom de nonlocalité, qu » Einstein a qualifié d  » action effrayante à distance. »Préférant une réalité où les objets doivent être à proximité pour exercer une influence les uns sur les autres, il croyait que la théorie de la mécanique quantique était incomplète. « Cela a certainement donné une indigestion à Einstein », explique Migdall.

pendant des décennies, les arguments sur le photon ont été largement relégués au domaine des expériences de pensée, car il était technologiquement impossible de tester ces idées., Récemment, le débat s’est répandu dans la communauté de la physique plus largement, à mesure que les sources et les détecteurs à photon unique deviennent meilleurs et plus largement accessibles, selon Steinberg. « Nous pouvons faire ces expériences au lieu de simplement les imaginer, comme le Chat de Schrödinger », dit-il.

Par exemple, les physiciens ont tous confirmé l’existence de l’enchevêtrement. Des décennies d’expériences, connues sous le nom de tests de L’inégalité de Bell, indiquent maintenant fortement Qu’Einstein avait tort—et que notre univers est non local.,

Ces tests sont basés sur un cadre expérimental conçu par le physicien britannique John Stewart Bell en 1964. Dans un travail théorique, Bell a montré que si vous répétez des mesures sur des particules prétendument enchevêtrées, les statistiques pourraient révéler si les photons s’influencent vraiment non localement, ou si un mécanisme inconnu—connu génériquement comme une « variable cachée locale »—crée l’illusion d’une action à distance. En pratique, les tests ont largement impliqué la division de paires de photons enchevêtrés le long de deux chemins différents pour mesurer leurs polarisations à deux détecteurs différents.,
les physiciens effectuent des tests Bell depuis les années 1970, toutes les expériences publiées indiquant que les photons peuvent agir de manière effrayante à distance, comme l’explique le physicien David Kaiser du Massachusetts Institute of Technology. Cependant, malgré des résultats unanimes, ces premières expériences n’ont pas été concluantes: les lacunes technologiques ont signifié que leurs expériences souffraient de trois limitations potentielles de conception, ou lacunes.

la première faille, connue sous le nom de faille de localité, provient du fait que les deux détecteurs de polarisation sont trop proches l’un de l’autre., Théoriquement, il était possible qu’un détecteur ait transmis un signal à l’autre détecteur juste avant l’émission des photons enchevêtrés, influençant localement le résultat de la mesure.

la deuxième faille, appelée faille d’échantillonnage équitable, résultait de détecteurs monophotoniques de mauvaise qualité. Les Experts ont fait valoir que les détecteurs auraient pu capter un sous-ensemble biaisé des photons, faussant les statistiques. Le désir de combler cette lacune, dit Migdall, a motivé le développement de meilleurs détecteurs à photon unique, les mêmes maintenant utilisés couramment dans les technologies quantiques.,

la troisième faille, celle de la liberté de choix, est liée aux réglages du détecteur de polarisation. Pour obtenir des statistiques vraiment impartiales sur un grand nombre de mesures de polarisation, l’orientation du détecteur de polarisation doit être réinitialisée de manière aléatoire pour chaque mesure. Il est difficile de garantir le caractère aléatoire, les chercheurs réinitialisant minutieusement les détecteurs à la main dans les premières expériences.

des expériences récentes ont fermé les trois failles, mais pas simultanément dans un seul test, selon Kaiser., En 2015, une équipe dirigée par le physicien Ronald Hanson de L’Université de technologie de Delft a effectué un test en cloche qui a fermé pour la première fois les failles d’échantillonnage et de localisation équitables, bien qu’en utilisant des électrons enchevêtrés plutôt que des photons.

publication en 2018, une équipe de scientifiques de l’Institut des Sciences de la photonique en Espagne a chargé 100 000 volontaires de jouer à un jeu vidéo pour générer des nombres aléatoires, que les scientifiques ont utilisés pour configurer leurs détecteurs de test de cloche afin de limiter la faille de la liberté de choix.,

Kaiser a travaillé sur une autre expérience publiée en 2018, surnommée le « test de la cloche cosmique », qui a fermé la faille de localité et a étroitement limité la faille de liberté de choix en définissant l’orientation de leur détecteur de polarisation à l’aide d’un générateur de nombres aléatoires basé sur la fréquence de la lumière émise par deux étoiles

les résultats appuient fortement la non-localisation de l’enchevêtrement. « L’indigestion Qu’Einstein avait avec la mécanique quantique – s’il était là aujourd’hui, vous lui diriez qu’il n’aurait qu’à s’en occuper », explique Migdall.,

la Physicienne Alexandra Landsman de L’Ohio State University décrit le photon comme « un quantum d’énergie », qui s’aligne étroitement avec les conceptions originales des physiciens de la particule. Dans un article de 1905, Einstein décrit la lumière comme des paquets discrets d’énergie proportionnels à sa fréquence pour expliquer ce que l’on appelle l’effet photoélectrique. Les scientifiques avaient observé que les matériaux absorbent la lumière pour éjecter des électrons, mais seulement lorsque la fréquence de la lumière est inférieure à une valeur seuil., L’explication d’Einstein, pour laquelle il a reçu le prix Nobel en 1921, a contribué à relancer le développement de la théorie quantique.

la nouvelle technologie laser a permis aux chercheurs de revoir l’effet photoélectrique plus en détail. Les lasers attosecondes, inventés en 2001, délivrent des impulsions lumineuses de moins d’un quadrillionième de seconde qui permettent aux physiciens d’observer l’action à l’échelle quantique comme un appareil photo avec une vitesse d’obturation record., En particulier, les physiciens utilisent des lasers ultrarapides pour chronométrer l’effet photoélectrique: une fois qu’un photon frappe un atome ou une molécule, combien de temps faut-il à l’électron pour être éjecté? « Dans le passé, les gens ont supposé que ce processus se produisait instantanément », explique Landsman. « Il n’y avait aucun moyen de répondre à cette question expérimentalement. »

en 2010, une équipe dirigée par le physicien Ferenc Krausz, alors à L’Université de technologie de Vienne, a réalisé une expérience montrant que l’éjection d’électrons d’un atome prend du temps., Bien qu’ils n’aient pas mesuré le temps absolu, ils ont pu discerner qu’il fallait environ 20 attosecondes de plus pour qu’un électron quitte l’orbitale 2p par rapport à l’orbitale 2S d’un atome de néon. Des expériences ultérieures menées par d’autres groupes ont chronométré l’émission d’électrons dans des molécules telles que l’eau et le protoxyde d’azote.

Landsman, un théoricien, travaille à comprendre pourquoi les électrons quittent certaines molécules plus rapidement que d’autres. Certaines molécules, par exemple, limiter l’électron à un espace tel que l’électron forme une onde stationnaire., Cette condition, connue sous le nom de résonance de forme, piège Temporairement l’électron, ralentissant son échappement. En fin de compte, Landsman veut élucider tous les facteurs qui retardent les atomes et les molécules de libérer l’électron à zéro sur la durée pendant laquelle le photon et l’électron se rencontrent. « Ces expériences nous donnent plus d’informations sur la façon dont un photon interagit avec un électron », dit-elle.

Zlatko Minev, cependant, ne pense pas qu’un photon est un quantum d’énergie. Minev, physicien chez IBM, étudie comment construire un ordinateur quantique., Dans ce nouveau contexte technologique, dit-il, les photons semblent manifester différemment.

Minev effectue des expériences sur des circuits faits de fils supraconducteurs pouvant être utilisés comme qubits, qui sont des blocs de construction des ordinateurs quantiques. Ces circuits sont conçus pour absorber un photon d’une énergie déterminée, où l’absorption d’un photon peut représenter de 1 état à un ordinateur quantique. Une fois que le qubit absorbe un photon, sa réponse change, de sorte qu’il n’absorbe plus les photons de cette énergie.,

l’idée conventionnelle d’un photon en tant que « quantum d’énergie » ne correspond pas à ces circuits, explique Minev, qui qualifie les systèmes d’oscillateurs quantiques non linéaires. « Vous pourriez demander, qu’est-ce que cela signifie d’avoir deux photons dans mon oscillateur? Est-il deux unités d’énergie? »dit-il. « Dans ce cas, ce n’est pas le cas, car chaque photon supplémentaire dans l’oscillateur a en fait une quantité d’énergie différente. L’énergie ne définit pas le photon dans ce cas. »

alors, comment décrit-il le photon? « Je ne suis pas sûr de pouvoir vous donner une réponse en une phrase », explique Minev. « Je réévalue actuellement ma propre compréhension., »Actuellement, il pense que le photon est un « quantum d’action », où » action  » fait référence à une quantité abstraite décrivant le comportement autorisé de son système.

alors que les physiciens réévaluent les bases, ces nouvelles expériences éclairent le lien entre la science fondamentale et les applications. La technologie quantum Internet de Kuo partage ses ancêtres avec le matériel utilisé dans les tests Bell d’intrication. Les études de Minev sur son oscillateur non linéaire l’aident à développer des méthodes pour corriger les erreurs dans les ordinateurs quantiques., Les recherches de Landsman sur l’effet photoélectrique dans les molécules peuvent révéler des indices sur ses propriétés électroniques, ce qui pourrait éventuellement fournir aux scientifiques une nouvelle avenue pour concevoir des matériaux avec les spécifications souhaitées. Migdall dit que les chercheurs utilisent des tests Bell pour vérifier le caractère aléatoire dans de nouveaux modèles de générateurs de nombres aléatoires qui exploitent des particules enchevêtrées.

Pourtant, la vraie nature du photon échappe aux physiciens. « Toutes les cinquante années de couvaison consciente ne m’ont pas rapproché de la réponse à la question: Que sont les quanta de lumière? »Einstein a écrit dans une lettre de 1951., « Bien sûr, aujourd’hui, chaque coquin pense connaître la réponse, mais il se fait des illusions. »

Il s’est peut-être trompé sur l’enchevêtrement, mais sept autres décennies de couvaison collective plus tard, le sentiment tient toujours.

Sophia Chen contribue à WIRED, Science, and Physics Girl. Elle est un écrivain indépendant basé à Columbus, Ohio.

Profiter de cet article?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE