Accueil du site > Atomes, cavités et photons > Mesure de l’état quantique du champ > Mesure QND du nombre de photons et détermination de l’état du champ > Naissance, vie et mort d’un photon
Naissance, vie et mort d’un photon
Nous réalisons une mesure sans démolition quantique (QND) du nombre de photons dans la cavité, restreinte aux états à 0 ou 1 photons. Des mesures fréquemment répétées à l’échelle du temps d’amortissement de la cavité nous permettent d’observer, pour la première fois, les sauts quantiques de la lumière. Des photons individuels peuvent être mesurès des centaines de fois, sur un intervalle de temps de l’ordre de la seconde.
Mesure sans démolition quantique de l’intensité lumineuse
Les photons sont de très bons véhicules pour l’information mais, dans la plupart des cas, ils sont annihilés par leurs détecteurs. Les photodétecteurs habituels les absorbent et convertissent leur énergie en un signal mesurable. L’état quantique de la lumière est totalement détruit dans ce processus brutal.
Cette démolition n’est pas exigée par la physique quantique, qui autorise des mesures idéales d’intensité ou du nombre de photons. Il faut pour les réaliser des photodétecteurs parfaitement transparents, qui laissent les photons intacts après les avoir comptés. Au lieu d’être détruit, le champ est projeté alors sur un état de Fock, avec un nombre de photons certain correspondant au résultat de la mesure.
Comme le nombre de photons est une constante pour le champ libre, on appelle ces mesures idéales ’sans démolition quantique’ ou QND (pour Quantum Non Demolition). Des mesures répétées de l’intensité doivent toujours donner le même résultat, à moins qu’une perturbation ne change l’état du champ. Une modification du nombre de photons entre deux mesures peut donc révéler la présence d’une telle perturbation.
Sauts quantiques
Les mesures QND permettent d’observer des sauts quantiques, quand on les réalise fréquemment à l’échelle du temps d’évolution du système. Au lieu d’évolue continûment, comme le prédisent la physique classique ou les moyennes quantiques, le système évolue, dans une réalisation unique de l’expérience, par sauts quantiques soudains entre les états propres de l’observable mesurée. Pour le champ, la relaxation à température finie dans la cavité doit conduire à des sauts vers le haut et le bas dans l’échelle des états de Fock.
Les sauts quantiques ont été souvent observés pour des particules matérielles, par exemple pour des ions piégés. Des signaux télégraphiques sont observés pour la fluorescence de l’ion quand il saute dans ou depuis un état métastable. Ces sauts sont une manifestation authentiquement quantique.
L’observation des sauts quantiques de la lumière est beaucoup plus difficile. Elle requiert une mesure QND au niveau du photon unique. Elle exige aussi une ’boîte à photons", capable de stocker le champ sur un temps long et rendant l’échelle de temps de sa relaxation plus longue que celle de la mesure. Ces deux conditions sont renplies dans notre expérience [1].
Principe de l’expérience
Le champ est stocké dans la cavité supraconductrice. L’expérience a été réalisée avec le plus long temps d’amortissement disponible, 0.13 s. La cavité est sondée par des atomes non-résonnants. L’interaction atome-champ produit un déphasage de 
pour la cohérence atomique pendant la traversée de la cavité.
Avant d’entrer dans la cavité, les atomes sont préparés par une première impulsion 
dans 
dans une superposition des niveaux 
et 
. La cohérence atomique est sondée à la sortie de la cavité par une autre impulsion dans 
. Le déphasage de de la cohérence atomique se reflète dans un déphasage de des franges de Ramsey. La figure ci-dessus présente les franges observées pour une cavité vide (points bleus) et contenant un photon préparé par un atome émetteur (points rouges). Les lignes sont des ajustements sinusoïdaux. Notons que le contraste des franges n’est pas affecté par la présence du photon dans la cavité.
Pour un ajustement convenable de la phase de l’interféromètre de Ramsey (ligne verticale grise), l’état atomique détecté ( ou ) est directement corrélé au nombre de photons dans la cavité (0 ou 1). L’atome mesure l’intensité du champ, mais ne peut absorber le photon avec lequel il n’est pas résonnant. L’énergie nécessaire à la transition entre et est fournie par les champs classiques dans les zones de Ramsey.
La variation adiabatique du couplage atome-champ dans la traversée du mode gaussien de la cavité est ici essentielle. Des estimations numériques, confirmées par l’expérience, montrent que le taux résiduel d’absorption par l’atome est de moins de 
, même si le désaccord atome-champ, 
, est de l’orde de 
, comme c’est nécessaire pour réaliser un déphasage de de la cohérence atomique dans le champ d’un photon.
L’atome réalise donc ainsi une mesure QND du nombre de photons, restreint aux valeurs 0 et 1. Comme le déphasage de la cohérence atomique est proche de par photon, l’atome mesure en fait (pour des nombres de photons petits) la parité du nombre de photons, confondant 2 et zéro. Le temps de mesure est de quelques dizaines de microsecondes. La mesure peut dont être répétée des milliers de fois pendant le temps de vie de la cavité.
Nous envoyons des échantillons atomiques sépares de 70 
s, sur une séquence de durée totale jusqu’à 3.5 s (50 000 échantillons). Le nombre d’atomes détecté par échantillon est en moyenne de 0.1, de telle manière que les événements à deux atomes aient une contribution négligeable. Le temps moyen entre mesures effectives est donc de 0.7 ms.
Sauts quantiques d’un champ thermique
Nous avons d’abord étudié l’évolution du champ à l’équilibre thermique avec les miroirs (à une température de 0.8K correspondant à 0.05 photons en moyenne). La trace supérieure de la figure ci-dessus présente les données butes de détection atomique durant une réalisation unique de l’expérience, durant 2.5 s. Une détection dans est représentée par une barre rouge vers le haut, une détection dans par une barre bleue vers le bas.
Nous observons clairement la transition entre une période pendant laquelle les atomes sont de façon majoritaire détectés dans à une période où ils sont plutôt détectés dans . Cette transition, et la transition inverse un peu plus tard, révèlent les sauts quantiques associés à la naissance et à la mort d’un unique photon thermique.
En raison du contraste limité de l’interféromètre de Ramsey, certains atomes sont détectés dans le mauvais état. Nous pouvons facilement nous affranchir de ces imperfections en décidant du nombre de photons par un vote majoritaire impliquant 8 atomes consécutifs. Nous obtenons ainsi le signal du bas de la figure, dépourvu de bruit.
Ce photon a vécu à peu près 0.5s dans la cavité, quatre durées de vie moyennes. Il s’agit d’un intervalle de temps à notre échelle. Pendant sa longue existence, ce photon a été mesuré environ 400 fois, illustrant le caractère QND de notre mesure.
- a long photon
- raw experimental data
On peut même ’entendre’ ce photon. Le fichier sonore ci-dessus illustre les détection atomiques brutes. Nous jouons une note pure quand un atome est détecté dans , et un silence quand il est détecté dans . Le long ’beep’ correspond à la vie de ce photon. Le son est en temps réel, montrant que la durée de vie du photon est bien dans la gamme du perceptible.
Dans une autre séquence de 3.5s, montrée ci-dessus, nous observons deux photons avec une durée de vie beaucoup plus courte. Entre eux, la cavité reste vide près de 2s. La mesure QND joue ici le rôle d’un démon de Maxwell, qui nous dit quand la cavité est vide, réduisant pendant cet intervalle de temps sa ’température’ à zéro.
Mort d’un photon Dans une autre expérience, nous avons observé la mort d’un photon unique. Nous utilisons un atome résonant pour préparer dans la cavité un état de Fock à un photon. Nous suivons alors l’évolution du nombre de photons pendant une séquence de 700 ms.
Dans une réalisation unique de l’expérience, nous observons un signal télégraphique révélant le saut soudain dans le vide quand le photon s’échappe (trace du haut à gauche dans la figure ci-dessus). En moyennant cinq trajectoires, nous obtenons une évolution en escalier (trace du bas à gauche). Notez dans ce cas la création et la disparition d’un photon thermique.
L’évolution douce prévue par la mécanique quantique est obtenue en moyennant de nombreuses trajectoires. Avec 15 réalisations (trace du haut à droite), nous obtenons déjà une approximation raisonnable de la décroissance attendue (la ligne rouge pointillée donne les prédictions de l’équation pilote de la relaxation du champ, calculées sans aucun paramètre ajustable). Avec 900 trajectoires (courbe du bas à droite), l’expérience et la prédiction quantique sont indistinguables.
Cette expérience vérifie quantitativement les prédictions de la mécanique quantique pour la relaxation de l’état à un photon. Elle illustre aussi remarquablement la différence essentielle entre une réalisation unique d’une expérience quantique et la moyenne d’ensemble.
[1] S. Gleyzes, S. Kuhr, C. Guerlin, J. Bernu, S. Deléglise, U. Busk Hoff, M. Brune, J.M. Raimond, S. Haroche, Nature 446, 297 (2007) : « Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity »
