Un instant d'éternité (La gomme quantique)

A partir de l'expérience des fentes d'Young, le cantique du photon, il est possible de progresser plus avant dans l'exploration de l'étrangeté, avec des expériences récentes portant sur des effets de « gomme quantique » (quantum eraser).

 

Rappel des faits précédemment établis : Les photons que l'on fait passer par deux fentes rapprochées interfèrent à la sortie, sauf si on observe par quelle fente chacun passe.

 

Intrication et gommage

 

La première expérience est décrite dans ce papier récent (10 Novembre 2009), et se donne pour objectif de présenter didactiquement (les auteurs précisent qu'ils se concentrent sur l'aspect didactique plutôt que sur les conditions précises de l'expérience) les effets d'intrication (entanglement), avec repérage du trajet, puis gommage de ce repérage...

 

Le mieux est bien sûr, de lire cet article de 4 pages relativement accessible (on peut sauter les équations), mais je vais essayer de présenter simplement et brièvement le truc.

 

Interféromètre de Mach-Zehnder

 

C'est un montage optique qui permet ce créer une situation comparable aux fentes d'Young. Une particule, candidate à l'interférence, peut suivre deux trajets à l'aide d'un jeu de deux miroirs normaux, et de deux miroirs semi-réfléchissants (beam splitters) et peut sortir, en principe, dans deux directions. Selon une vision classique, on devrait détecter 50 % des particules sur le détecteurs Dx et 50% sur le détecteur Dy. (Fig 2)

 

 

 

 

Mais en fait, du fait de phénomènes d'interférences, toutes les particules arrivent en Dx.

 

Voilà une situation expérimentalement équivalente à l'expérience des fentes d'Young, avec les interférences : On ne sait pas quel trajet précisément emprunte chaque particule, et ça interfère.

 

Repérer la particule.

 

Ce qu'il faut pouvoir faire, c'est repérer par où passe la particule, sans la perturber. On ne prend donc pas des photons, particules timides et sensibles qui se troublent pour un rien, mais des atomes, du lourd. Une source émet des atomes, qui sont ensuite excités par un laser. Lorsqu'un tel atome, excité, passe dans une cavité, il reprend son état « de base » en relâchant un photon.

 

Ce photon dans la cavité est la trace du passage de l'atome. Lui continue imperturbablement sa route.

 

La suite, vous la devinez : On place deux tels détecteurs (cavités) sur chacun des deux trajets possibles, et hop...les interférences disparaissent, c'est à dire que les atomes sortent à 50 % côté Dx et à 50% côté Dy, du seul fait qu'ils ont laissé une trace de leur passage (on n'a pas besoin d'aller voir dans les cavités s'il y a un photon. Le seul fait que ces détecteurs soient là suffit à supprimer les interférences). (Fig 3)

 

 

 

 

On efface tout.

 

Une fois que notre atome est passé, a laissé son photon dans un de deux détecteurs, et se dirige vers la sortie, sans plus interférer puisqu'il est (se sait ?) espionné, voilà que par un mécanisme astucieux, on relie les 2 détecteurs-cavités, DA et DB, à un absorbeur de photon qui détruit l'information sur le trajet de l'atome. (Fig 4)

 

 

 

 

Que croyez-vous qu'il arrive ?

 

Et bien tout simplement que l'atome, aussi avancé soit-il dans son trajet (il peut même être sorti de l'interféromètre), mais non encore arrivé sur un des détecteurs de sortie (Dx ou Dy), décide maintenant d'interférer, c'est à dire de n'être détecté que par Dx !!

 

Formulé de façon un peu provocatrice, à vouloir considérer la trajectoire d'un atome, tout se passe comme si, l'information étant gommée, l'atome modifiait son comportement après-coup, comme s'il pouvait être informé de ce qui se passe "derrière" lui...

 

Une autre expérience (évoquée par ArthurDent dans le fil sur le chat de Schrödinger), de Marlan Scully, dite "à choix retardé", approfondit encore cette énigme temporelle.

Modifié 13 décembre 2009 par Jeff Hawke

Avant de décrire une expérience de gomme quantique dite à « choix retardé », il est intéressant d’aller chercher les petites hélices tournantes de Feynman pour analyser un peu ce qui se passe dans cet interféromètre de Mach – Zehnder.

 

Première situation, sans détecteur :

 

Les flèches de probabilités ne sont pas affectées par la réflexion totale (100% des atomes) sur les miroirs parfaits, et par la traversée des miroirs semi-réfléchissants. Elles subissent une rotation de 90° sur une réflexion par les miroirs semi-réfléchissants.

 

Lorsque les trajets ne sont pas discernables, la probabilité de trouver l’atome en Dx est la composante des trajets A et B. Pour le trajet A, la flèche va être décalée une fois de 90° (une réflexion en BS2), et la longueur de la flèche sera ½ (1 sur racine carrée de 2 à chaque passage sur un semi-réfléchissant. On multiplie les longueurs car il y a deux semi-réfléchissants par trajet). Pour le trajet B, idem, une réflexion (sur BS1), décalage de 90°, et même longueur de flèche. Les flèches, de même direction et sens, s’additionnent en longueur, 1/2 + 1/2 donne une longueur de 1, et une probabilité de trouver l’atome de 1², soit 100 %.

 

En appliquant le même raisonnement sur la probabilité de détection en Dy, la flèche sur le trajet A ne va pas se décaler (deux traversées), et celle sur le trajet B, va se décaler deux fois (deux réflexions), soit un décalage total de 180°.

 

Dès lors, les flèches en Dy, de même longueur (1), s’annulent, et la probabilité résultante est donc de zéro.

 

Seconde situation, avec les deux détecteurs :

 

Là, la raisonnement est plus simple, similaire à celui déjà fait avec les fentes d’Young (Le cantique du photon). Les trajets sont discernables (Rappel : On n’a pas besoin qu’ils soient effectivement discernés), la probabilité d’arrivée en Dx ( et en Dy) s’obtient en ajoutant les probabilités de chaque trajet, (1/2*1/2, car à chaque miroir semi-réfléchissant, il y a une chance sur deux de le franchir, et une chance sur deux d’être réfléchi) soit 25% pour le trajet A et 25% pour le trajet B, une chance sur deux d’arriver en Dx. Et idem pour Dy.

 

Troisième situation, on gomme :

 

Là, ça devient intéressant. Les trajets ont été discernables, mais ne le sont plus. Que nous dit l'électrodynamique quantique ? Imperturbable, elle calcule comme au premier cas, sans se soucier de ce qui a bien pu se dérouler entre le départ de l'atome et sa détection en Dx ou Dy. A l'arrivée, les trajets ne sont pas discernables (on a « gommé »), donc on compose les petites flèches selon notre règle familière, et on trouve les effets d'interférence.

 

Cette façon de raisonner, qui peut laisser perplexe – après tout, à un moment donné, un photon logé dans une cavité indiquait bien le chemin emprunté par l'atome – est en fait riche d'enseignement. Le calcul le QED, révélateur de ce qu'il advient, est en quelque sorte a-temporel. La QED envisage les possibilités de trajets aux conditions où on se situe à l'arrivée, lors de la détection de l'atome.

 

Ces conditions modifient, pour cette calculatrice inflexible, un éventuel passé localisé. Le calcul de la probabilité d'arrivée de l'atome ici, ou là, embrasse un bloc temporel étendu, et comme isolé du flux général d'écoulement du temps (celui de notre monde « classique »). Dans ce bloc a-temporel de cohérence quantique, la causalité est mise à mal.

 

Une question idiote

 

Et si, pendant que le photon était dans sa cavité, avant le gommage par absorption, on avait, par un dispositif ad hoc, enregistré le fait qu'il était là, conservant ainsi « quelque part » l'information sur le trajet suivi par l'atome ?

 

Et bien, c'est très simple : La gomme quantique n'aurait pas vraiment gommé, bien qu'ayant absorbé le photon, puisqu’une trace du passage serait conservée. Les interférences ne seraient pas revenues, et la QED continuerait de calculer sur la base de deux trajets discernables.

 

Ne me demandez comment l'atome aurait pu être informé de cet espionnage de son photon traceur, avant qu'il ne soit absorbé...pour décider prudemment de continuer à ne pas interférer... Comme aurait dit Feynman, la question est sûrement mal posée…

 

Avec les détecteurs et la gomme quantique, on a su, ou on aurait pu savoir, par où l'atome était passé, et on l'oublie pour que les interférences se produisent. Mais cet oubli doit être total, radical, sans rémission...

Modifié 16 décembre 2009 par Jeff Hawke

Bonjour

 

Merci pour cette présentation bien didactique , bravo !

Alain Aspect évoquait rapidement cet "aspect' , ha ha ha, des choses à la fin de sa conférence sur les inégalités de Bell , en réponse à une question

Feynman semblait favorable aux "probabilités négatives" , on a le choix aussi avec "l'effacement du passé' qui remet en cause la causalité ( ha ha ha encore )

 

Encore merci

Intelligible à une littéraire, c'est dire...

Les flèches de probabilités ne sont pas affectées par la réflexion totale (100% des atomes) sur les miroirs parfaits, et par la traversée des miroirs semi-réfléchissants. Elles subissent une rotation de 90° sur une réflexion par les miroirs semi-réfléchissants.

 

Lorsque les trajets ne sont pas discernables, la probabilité de trouver l’atome en Dx est la composante des trajets A et B. Pour le trajet A, la flèche va être décalée une fois de 90° (une réflexion en BS2), et la longueur de la flèche sera ½ (1 sur racine carrée de 2 à chaque passage sur un semi-réfléchissant. On multiplie les longueurs car il y a deux semi-réfléchissants par trajet). Pour le trajet B, idem, une réflexion (sur BS1), décalage de 90°, et même longueur de flèche. Les flèches, de même direction et sens, s’additionnent en longueur, 1/2 + 1/2 donne une longueur de 1, et une probabilité de trouver l’atome de 1², soit 100 %.

 

En appliquant le même raisonnement sur la probabilité de détection en Dy, la flèche sur le trajet A ne va pas se décaler (deux traversées), et celle sur le trajet B, va se décaler deux fois (deux réflexions), soit un décalage total de 180°.

 

Dès lors, les flèches en Dy, de même longueur (1), s’annulent, et la probabilité résultante est donc de zéro.

Brillant résumé, cependant il me semble qu'il y a quelques inexactitudes, si on compare au papier de référence.

Le papier sur l' interféromètre MZI , retraduit dans le langage des "flèches de Feynman", donne plutôt :

 

Concernant la rotation des flèches :

Une réflexion (totale ou pas) induit une rotation de 90° de la flèche.

Une traversée (partielle ou pas) ne change pas la direction de la flèche.

 

Concernant la longueur des flèches :

Une réflexion totale ( MA, MB ) ne change pas la longueur de la flèche.

Une réflexion partielle ( BS1, BS2 ) raccourcit la flèche d' un facteur racine de deux.

Un traversée partielle ( BS1, BS2 ) raccourcit la flèche d' un facteur racine de deux.

 

Dans le cas du détecteur Dx la situation est symétrique (1 traversée partielle, 2 reflexions dont une partielle dans les 2 cas), on a donc au final une rotation de 90+90= 180 ° et une longueur de (1/racine de 2 au carré)=1/2 pour les deux flèches => 1/2+1/2 = 1.

 

Dans le cas du détecteur Dy, le premier trajet (une réflexion totale, 2 traversées partielles) donne une rotation de 90 ° et une longueur 1/2 , l' autre trajet (3 reflexions dont 2 partielles) donne une rotation de 3x90° et une longueur 1/2.

Les flèches sont de même direction , même longueur (1/2), mais sens opposé (l' angle entre les 2 flèches est de 180°) : -1/2+1/2 = 0.

 

Etc, etc.

 

Ce qui est stupéfiant , dans ces expériences, c' est qu'elles montrent la limite de la stratégie "séparer pour comprendre". Les systèmes quantiques ne sont pas séparables : Il faut considérer tout ce qui se passe entre l' état initial (connu ou mesuré) et l' état final (mesuré), comme un tout.

Modifié 16 décembre 2009 par ArthurDent

Alain Aspect évoquait rapidement cet "aspect' , ha ha ha, des choses à la fin de sa conférence sur les inégalités de Bell , en réponse à une question

A propos d'Aspect, j'ai trouvé un papier de lui et de son équipe où ils décrivent une expérience de gomme quantique (2006), qui semble être une des plus achevées et rigoureuses du genre ( Experimental realization of Wheeler's delayed-choice GedankenExperiment ).

 

Brillant résumé, cependant il me semble qu'il y a quelques inexactitudes, si on compare au papier de référence.

C'est effectivement fort possible, et même probable, car en vérité, je n'ai pas utilisé l'article en référence pour présenter mes petits "calculs" feynmaniens. Je suis parti des éléments fournis par le bouquin initial de Feynman (comme tu l'avais d'ailleurs suggéré ).

 

J'avais bien pensé à un décalage produit par les miroirs parfaits, mais comme ceux-ci sont les mêmes quels que soient les trajets, j'ai considéré qu'on pouvait les ignorer. La différence des trajets ne s'actualise que dans le nombre différent de traversées et de réflexions sur les miroirs semi-réfléchissants.

 

C'est donc là, me semble-t-il, que les transformations (longueurs et rotations) que subissent les hélices jouent sur la probabilité finale.

 

J'ai aussi pu vérifier des points sur l'interféromètre et les chemins de Feynman dans ce bref et clair papier.

 

Les systèmes quantiques ne sont pas séparables : Il faut considérer tout ce qui se passe entre l' état initial (connu ou mesuré) et l' état final (mesuré), comme un tout.

 

Eh oui... Bell (et Aspect) montrait la non-séparabilité spatiale et là, on a la non-séparabilité temporelle.

Modifié 17 décembre 2009 par Jeff Hawke

Au fait, et avant de décrire une autre expérience de gomme (celle de Marlan Scully), quelques nouvelles du chat de Schrödinger, à l'origine de ces prises de tête quantiques.

 

Un dispositif de gomme quantique du type de ce qui est décrit ci-dessus ne saurait en aucun cas le ressusciter (au cas où il aurait été tué par le passage de l'atome à un certain état quantique), ou bien le tuer (dans le cas inverse).

 

En effet, l'état de l'infortuné chat est maintenant une trace irréversible de ce qui a pu survenir au niveau quantique, et une gomme quantique sera alors inopérante (c'est comme si on avait conservé ailleurs la trace de la présence du photon dans la cavité, dans l'expérience décrite plus haut).

Cette expérience-là, je la trouve moins limpide que celle avec l’interféromètre, mais elle est plus « parlante » pour évoquer les effets temporels à apparence paradoxale. Cela dit, il faut reconnaitre que les observations sur les phénomènes d’interférences sont un peu laborieuses à mettre en évidence.

 

Je vais essayer de décrire très simplement le dispositif expérimental (source Wikipedia, Gomme quantique à choix retardé : Dans cet article, la partie descriptive de l’expérience est assez bien faite. Par contre, je déconseille la partie « philosophique », plutôt confuse. Il y a une autre entrée Wiki, de discussion sur cet article, qui est assez fumage de moquette).

 

Il faut bien suivre le cheminement sur la figure.

 

Au départ, on est sur le bon vieux principe des fentes d’Young. On émet des photons, un à un, et ils ont le choix entre deux trajets avant d’aller interférer en I, avec des miroirs parfaits inclinés, en B et C.

 

 

 

 

 

Pour introduire la gomme quantique à choix retardé, on remplace en B et C les miroirs inclinés par des convertisseurs bas.

 

Que font ces bestioles ? A réception d’un photon, elles le convertissent en deux photons corrélés (de longueur d’onde double du photon entrant), un qui conserve le rôle du photon original dans l’expérience initiale, et se dirige vers le détecteur d’interférences I, c’est le photon signal, et l’autre, le photon témoin, qui est dirigé vers un autre miroir semi-réfléchissant (D ou E), pour des aventures ultérieures.

 

 

Les aventures du photon témoin.

 

Voyons ce qui se passe dans le dispositif complet, à chaque tir de photon. Au dédoublement, qu’il ait lieu en B ou en C, un photon signal est détecté en I, et, plus tard et plus loin,…le photon témoin va être détecté.

 

Où va-t-il être détecté ? C’est là, et il faut faire bien attention, où les Athéniens s’atteignirent…Ce témoin, qui est une sorte de répliquant du photon signal, va être détecté (1) en J ou K, ou bien (2) en G ou H.

 

Dans le cas (1), le trajet du témoin est connu, et par conséquent on connait aussi le trajet du photon signal. Il n’y aura donc pas de figures d’interférences observées entre le photon signal détecté sur I, et son répliquant détecté sur J ou sur K. (*)

 

Dans le cas (2), le trajet du témoin n’est pas connu, le miroir semi-réfléchissant F a gommé l’information de sa provenance…,et par voie de conséquence, le trajet du photon signal n’est pas non plus connu. Dans ces conditions, le photon signal détecté sur I contribuera à la formation d’une figure d’interférences avec le photon répliquant détecté sur G ou H. (*)

 

 

(*) Pour être plus précis et plus exact, suite à une observation faite par ArthurDent plus bas, il faut dire que les photons signaux, dont les répliquants auront été détectés en J ou K, ne forment pas de figures d'interférences. Tandis que les photons signaux dont les répliquants auront été détectées en G ou H, forment des figures d'interférences.

Observation pratique.

 

Pour constater la présence ou l’absence d’interférences, il faut rapprocher les observations d’impacts faites sur I, avec les détections faites sur les capteurs J, K, G et H, photon par photon. Si on observe seulement I, on ne voit rien qu’un nuage d’impacts de photons en vrac.

 

Considération sur ce qui se passe.

 

La façon dont un photon signal se comporte dépend de l’odyssée de son photon témoin : Ce dernier fonce-t-il à la détection directe sur J ou K ? Ou bien choisit-il de se diriger vers le gommage quantique en F, pour être détecté en G ou H ?

 

L’amusant de la situation, c’est que cette décision du photon témoin peut être prise bien longtemps après que le photon signal ait été détecté en I. En théorie, les points D et E peuvent très bien se trouver dans la galaxie d’Andromède.

 

Ce qui signifie que la façon dont un photon signal se comporte en I dépend d’un événement qui surviendra plus tard (*), sur Andromède…

 

 

(*) 2 millions d'années plus tard, genre.

Modifié 20 décembre 2009 par Jeff Hawke

Intelligible à une littéraire, c'est dire...

 

Oui, idem pour moi. Très abordable, et agréable.

Jeff, tu devrais écrire un ouvrage de vulgarisation...

Bien joué Jeff, c' est effectivement limpide.

Juste un détail : Tu écris

Dans ces conditions, le photon signal détecté sur I contribuera à la formation d’une figure d’interférences avec le photon répliquant détecté sur G ou H.

Formulé comme ça, on pourrait croire que la figure d' interférence est formée par le couple {photon signal, photon répliquant}, or la figure d' interférence est formée uniquement par le photon "signal". Ou plutôt, le photon signal détecté en I contribuera à la formation d'une figure d' interférence lorsque le photon "répliquant" est détecté en G ou H.

 

Ce qui est limite irritant, c' est que le choix peut être retardé de 2 millions d' années (en plaçant le dispositif de gommage à 2 millions d' AL), mais on ne pourra s' en apercevoir que 4 millions d' années après (à la louche), puisqu' il faut le résultat des détecteurs G et H ou J et K pour interprêter le signal reçu en I. La causalité est donc sournoisement respectée.

Juste un détail : Tu écris

 

Formulé comme ça, on pourrait croire que la figure d' interférence est formée par le couple {photon signal, photon répliquant}, or la figure d' interférence est formée uniquement par le photon "signal". Ou plutôt, le photon signal détecté en I contribuera à la formation d'une figure d' interférence lorsque le photon "répliquant" est détecté en G ou H.

Ah p...oui, tu as raison, ma formulation est foireuse. Le répliquant est un fantôme qui ne sert qu'à identifier le bon photon signal dans la masse de photons qui arrivent en I.

 

puisqu' il faut le résultat des détecteurs G et H ou J et K pour interprêter le signal reçu en I. La causalité est donc sournoisement respectée.

En même temps, heureusement. Si on cassait la causalité, notre monde s'effondrerait dans l'inconsistance, et je me demande ce que nous deviendrions. (Et ce n'est pas un sommet de Copenhague qui pourrait nous sortir de là )

J'ai amené une précision à mon texte sur la description de l'expérience de Marlan Scully (la seconde), pour tenir compte de la remarque d'Arthur.

Je ne sais pas trop quoi penser de ce papier là:

http://arxiv.org/abs/0908.1036

 

Si je comprends bien, il décrit un algorithme "classique" (i.e déterministe et causal de bout en bout) qui permet de reproduire un jeu de donnée non distingable statistiquement d' une expérience de gomme quantique.

Un façon d' amener de l' eau au moulin de l' approche de 't Hooft déjà évoquée ailleurs ... Le retour de la vengeance d' Einstein, quoi

Reste plus qu'à se farcir les 12 pages...

 

Pas facile, les calculs...

 

En fait, ils ont fait toute une série de papier sur la simulation "event by event" de phénomènes quantiques. Ce qui tendrait à montrer l'existence d'une théorie locale et déterministe rendant compte de toutes ces curiosités (violation des inégalités de Bell, Gomme quantique, Interférences...)

 

Encore faudrait-il bien comprendre leurs algorithmes de calcul.

 

Déjà, je m'interroge sur deux points : 1 Dans leur papier, ils présentent leur approche comme s'opposant à l'approche fonction d'onde de Schrödinger. Pourquoi ne pas comparer avec l'approche QED ?

 

2 Comment obtenir des résultats de "corrélations" par des calculs affectés individuellement à un photon ? Par exemple, dans le montage MZI, si on "bouche" un chemin, on sait que sur l'autre chemin, le photon va se comporter d'une façon qui tient compte de ce chemin, qui lui est distant, bouché. Il me semble que, pour que la simulation rende compte de cela, elle doit être "non locale"...c'est à dire prendre en compte dans son calcul le fait que l'autre chemin est fermé...

Modifié 23 décembre 2009 par Jeff Hawke

Fausse manip, au lieu d'ajouter un post, j'ai édité mon post précédent...

A lire dans futura-sciences d'aujourd'hui :

 

Un tour de magie quantique dans le passé avec des photons intriqués ?

Quel est le c.. qui remonte sans crier gare un vieux sujet et qui fait croire, un instant , au retour du "grand-tome" ?...

 

Ah c'est toi ! Pardon pour la grossièreté suggérée et qui s'appliquerait bien mal à ta personne.

 

Le lien :

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/un-tour-de-magie-quantique-dans-le-passe-avec-des-photons-intriques_37860/

Quel est le c.. qui remonte sans crier gare un vieux sujet et qui fait croire, un instant , au retour du "grand-tome" ?...

 

Ah c'est toi ! Pardon pour la grossièreté suggérée et qui s'appliquerait bien mal à ta personne.

 

Le lien :

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/un-tour-de-magie-quantique-dans-le-passe-avec-des-photons-intriques_37860/

 

Salut à toi, Aztèque de mes dieux. Merci d'avoir donné le lien; j'ai remplacé mon vieil HP Pavilion par un Sony VAIO et j'ai un mal de chien avec copier/coller.

Pourriez vous expliquer en quoi consiste le phénomène d'interférence dans l'expérience décrite par le premier schéma ? Je comprend le phénomène avec les fentes de Young et le photon se comportant comme une onde mais je ne le comprend pas dans le cadre de cette expérience.

 

Merci d'avance

Je vais préciser ma question.

J'ai trouvé des infos sur l'interferometre de Michelson, et dans ce dispositif les 2 "ondes" se rejoignent pour interférer.

dans le schéma de ce post je ne comprend pas à quel moment le photon interfère.