La relation de complémentarité de la dualité onde-particule est analysée quantitativement avec des photons intriqués comme détecteurs de chemin.
Le XXIe siècle a sans aucun doute été l’ère de la science quantique. La mécanique quantique est née au début du XXe siècle et a été utilisée pour développer des technologies sans précédent qui incluent l’information quantique, la communication quantique, la métrologie quantique, l’imagerie quantique et la détection quantique. Cependant, en science quantique, il existe encore des problèmes non résolus et même inappréhensibles comme la dualité et la complémentarité onde-particule, la superposition de fonctions d’onde, l’effondrement de la fonction d’onde après la mesure quantique, l’enchevêtrement de la fonction d’onde de la fonction d’onde composite, etc.
Pour tester quantitativement le principe fondamental de la dualité et de la complémentarité onde-particule, un système composite quantique pouvant être contrôlé par des paramètres expérimentaux est nécessaire. Jusqu’à présent, il y a eu plusieurs propositions théoriques après que Neils Bohr a introduit le concept de “complémentarité” en 1928, mais seules quelques idées ont été testées expérimentalement, détectant des modèles d’interférence avec une faible visibilité. Ainsi, le concept de complémentarité et de dualité onde-particule reste encore insaisissable et n’a pas encore été pleinement confirmé expérimentalement.
Figure 1. Interféromètre à photon unique à double trajet avec une pureté de source contrôlable utilisée dans notre modèle ENBS. Deux cristaux SPDC, PPLN1 et PPLN2, sont pompés et ensemencés simultanément par les mêmes lasers cohérents de pompage et d’ensemencement, respectivement, entraînant l’émission de deux photons de signal s1 ou s2 pour la détection d’interférence quantique à PD. Ensuite, les photons inactifs conjugués i1 et i2 fournissent les informations sur quel chemin (ou quelle source), où la pureté de la source contrôlable est déterminée par le chevauchement entre les SPACS de l’un des modes inactifs et l’état cohérent inchangé d’un autre mode inactif. Deux champs libres peuvent être détectés indépendamment par les détecteurs DA et DB. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche de l’Institute for Basic Science (IBS, Corée du Sud) a construit un interféromètre à double trajet composé de deux cristaux de conversion descendante paramétriques ensemencés par des champs libres cohérents, illustrés à la figure 1. L’appareil génère des photons de signaux cohérents (quantons) qui sont utilisés pour la mesure des interférences quantiques. Les quantons parcourent ensuite deux chemins distincts avant d’atteindre le détecteur. Les champs libres conjugués sont utilisés pour extraire des informations de chemin avec une fidélité contrôlable, ce qui est utile pour élucider quantitativement la complémentarité.
Dans une expérience réelle, la source des quantons n’est pas pure en raison de son intrication avec les degrés de liberté restants. Cependant, la pureté de la source de quantons est étroitement limitée par l’intrication entre les quantons générés et tous les autres degrés de liberté restants par la relation ??s = (1 – E2), ce que les chercheurs ont confirmé expérimentalement.
Figure 2. Relation de complémentarité quantitative de la dualité onde-particule. (A) Relation de complémentarité quantitative P2 + V2 = μs2 par rapport à γ = ∣α2∣ / ∣α1∣ et ∣α∣ = ∣α2∣. Ici, la prévisibilité du chemin P représente un comportement semblable à celui des particules, tandis que la visibilité des franges V représente le comportement semblable à celui des ondes du quanton dans l’interféromètre à double trajet. La totalité de la complémentarité est délimitée par la pureté de la source. (B) La pureté de la source s du quanton (photon de signal) et l’intrication E entre le quanton et le détecteur sur quel chemin (quelle source) forment une autre relation de complémentarité μs2 + E2 = 1. Ces deux mesures sont tracées par rapport à γ = ∣ α2∣ / ∣α1∣ et ∣α∣ = ∣α2∣.
Crédit : Institut des sciences fondamentales
La dualité onde-particule et la complémentarité quantitative P2 + V2 = ??s2 (P, a priori prévisibilité; V, visibilité) ont été analysés et testés à l’aide de ce système de source de biphotons non linéaires intriqués (ENBS), où les états de superposition des quantons sont intriqués mécaniquement avec des états libres conjugués de manière contrôlable. Il a été montré que a priori la prévisibilité, la visibilité, l’intrication (donc la pureté de la source et la fidélité dans notre modèle ENBS) dépendent strictement du nombre de photons du faisceau de germe. Cela indique l’application potentielle de cette approche pour la préparation d’états de photons intriqués distants.
Figure 3. Visibilité des franges V et visibilité a priori V0 en fonction de γ = ∣α2∣ / ∣α1∣ et ∣α∣ = ∣α2∣. Les points bleus sont des données expérimentales tirées du récent article de l’équipe. Les données expérimentales coïncident avec la visibilité V, et non la visibilité a priori V0 sur l’ensemble des plages de γ et |α|. Ce graphique valide l’analyse par l’équipe des résultats expérimentaux de l’ENBS en termes de dualité onde-particule et de relations de complémentarité quantitative. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Richard Feynman a déclaré un jour que résoudre le casse-tête de la mécanique quantique réside dans la compréhension de l’expérience à double fente. Il est prévu que l’interprétation basée sur les expériences d’interférométrie à double trajet avec ENBS aura des implications fondamentales pour une meilleure compréhension quantitative du principe de complémentarité et de la relation de dualité onde-particule.
Référence : « Quantitative complementarity of wave-particle duality » par Tai Hyun Yoon et Minhaeng Cho, 18 août 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126 / sciadv.abi9268