Stabilisation quantique : des photons « emprisonnés »

Une expérience de stabilisation constante d'un état quantique a été réalisée par une équipe du laboratoire Kastler Brossel (CNRS/ENS/Collège de France/UPMC-Université Pierre et Marie Curie) sous la direction de Serge Haroche (en collaboration avec le Centre Automatique et systèmes, Mathématiques et systèmes des Mines ParisTech et l'INRIA). Les chercheurs ont réussi à maintenir un nombre constant de photons au sein d'une cavité micro-onde de haute qualité. Ils décrivent les résultats de leur étude dans la revue en ligne Nature du 1er septembre 2011, DOI: 10.1038/nature10376

Le photon, grain élémentaire de lumière, n'est usuellement observable que lorsqu'il disparaît. L'œil absorbe les photons en les détruisant et traduit cette information à mesure qu'elle est enregistrée. Malgré tout, cette destruction n'est pas indispensable. Il y a 4 ans l'équipe du laboratoire Kastler Brossel a réussi à observer, des centaines de fois, un seul et même photon micro-onde piégé dans une boîte.

Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs ont réussi à stabiliser un nombre de photons donné dans une « boîte à photons », cavité formée de deux miroirs supraconducteurs. C'est la première expérience complète de stabilisation quantique.

Le transfert de ces concepts au monde microscopique quantique se heurte à un obstacle : la mesure -le thermomètre- change l'état du système. La stabilisation quantique consiste en une mesure réalisée par l'injection d'atomes, sondes ultrasensibles, dans la cavité. Cette mesure ne fixe pas le nombre de photons, mais donne sur celui-ci une information floue. Comme toute mesure quantique, elle modifie cependant l'état de la cavité. Un contrôleur – le thermostat – prend en compte cette information ainsi que la perturbation de la mesure et pilote une source micro-onde classique – les résistances du four. Ainsi, la cavité est amenée ou ramenée vers un état où le nombre de photons a exactement la valeur prescrite.

Cette expérience se veut une étape importante vers le contrôle d'états quantiques complexes.