Measuring the Quantum Phase of Multiphoton Systems

Dans le monde de la physique quantique, certaines quantités sont faciles à compter, tandis que d'autres sont notoirement difficiles à cerner. Imaginez que vous essayiez de mesurer le nombre exact de grains de sable dans un seau ; c'est une tâche simple. Maintenant, imaginez que vous essayiez de mesurer la « phase » précise d'une onde d'eau. En physique classique, la phase décrit où se trouve une onde dans son cycle — qu'elle soit au sommet d'une crête, dans un creux, ou quelque part entre les deux. C'est un concept fondamental qui explique comment les ondes interfèrent les unes avec les autres, créant les motifs de lumière et d'obscurité que nous voyons dans les ondulations ou les faisceaux laser. Cependant, lorsque les physiciens sont passés du monde macroscopique des ondes d'eau et de lumière au règne microscopique des particules individuelles, un mystère profond est apparu. Si le nombre de particules dans un système pouvait être défini clairement, la version quantique de la phase restait insaisissable. Pendant des décennies, les scientifiques ont lutté pour trouver un outil mathématique, ou un opérateur, capable de décrire cette phase sans enfreindre les règles de la mécanique quantique. Sans un tel outil, ils ne pouvaient pas mesurer directement la phase d'un groupe de particules, ni établir une règle claire décrivant comment l'incertitude du nombre de particules est liée à l'incertitude de la phase.

Ce fossé dans la compréhension est devenu de plus en plus important à mesure que les scientifiques développent de nouvelles technologies qui reposent sur la manipulation de nombreuses particules à la fois, telles que des capteurs avancés et des ordinateurs quantiques. Ces dispositifs doivent souvent basculer entre le comptage de particules et la mesure de leur phase, un peu comme une caméra standard pourrait basculer entre la mise au point sur la luminosité d'une scène et le minutage d'un flash. Jusqu'à présent, l'incapacité de mesurer directement la phase de systèmes multiparticules constituait un obstacle majeur. Une équipe de chercheurs de l'Université d'État de Louisiane a franchi une étape majeure en réussissant à reconstruire l'état quantique de systèmes contenant jusqu'à quinze particules pour évaluer leur phase quantique. Ce faisant, ils ont non seulement capturé une quantité qui a longtemps été considérée comme immesurable, mais ils ont également démontré une nouvelle façon de voir la relation fondamentale entre le nombre de particules présentes et leur phase.

Les chercheurs ont réalisé cette percée en construisant un dispositif expérimental sophistiqué qui agit comme une caméra haute précision pour la lumière. Au lieu de simplement compter les photons, ou particules de lumière, lorsqu'ils arrivent, l'équipe a combiné la lumière qu'elle souhaitait étudier avec un faisceau de lumière stable et prévisible appelé oscillateur local. Ce processus de mélange, connu sous le nom d'interférométrie homodyne, a permis de comparer la lumière inconnue à une référence connue. Crucialement, ils ont utilisé un détecteur capable de résoudre le nombre exact de photons dans chaque mesure, plutôt que de simplement détecter la présence de lumière. En ajustant soigneusement la phase relative et l'intensité des deux faisceaux lumineux et en balayant le champ lumineux, ils ont collecté une quantité massive de données. Ils ont ensuite utilisé un algorithme informatique puissant pour reconstruire l'état quantique de la lumière à partir de ces mesures, construisant ainsi une carte détaillée des propriétés du système.

Les résultats de cette reconstruction ont révélé quelque chose de profond. L'équipe a pu visualiser le champ lumineux de deux manières complémentaires : l'une montrant la distribution des nombres de particules et l'autre montrant la distribution des phases. Lorsqu'ils ont observé un faisceau de lumière doté d'une phase bien définie, ils ont constaté que les particules étaient réparties sur de nombreux états numériques différents, mais que la phase était étroitement regroupée autour d'une valeur spécifique. En revanche, lorsqu'ils ont examiné un autre type de champ lumineux présentant des fluctuations plus aléatoires, la phase est devenue beaucoup plus étalée et incertaine. Cette observation a confirmé une relation de longue date : à mesure que l'incertitude sur le nombre de particules augmente, l'incertitude sur la phase diminue, et vice versa. Il s'agit de la relation d'incertitude nombre-phase, une règle qui n'était auparavant qu'un concept théorique, mais qui fait maintenant l'objet de la première réalisation expérimentale pour les systèmes multiparticules.

Au-delà de la confirmation de cette règle fondamentale, les chercheurs ont cartographié la manière dont ces propriétés changent à travers l'espace physique du faisceau lumineux. Ils ont découvert que la relation entre le nombre de particules et la phase n'est pas uniforme ; elle varie selon l'endroit où l'on regarde au sein du faisceau. Dans les bords plus sombres du champ lumineux, où moins de particules sont présentes, la phase est hautement incertaine et étalée. À mesure qu'ils se rapprochaient du centre plus brillant du faisceau, où davantage de particules sont concentrées, la phase devenait nettement définie et localisée. Cette variation spatiale a fourni une démonstration visuelle directe de l'échange entre la connaissance du nombre de particules présentes et la connaissance de leur phase. L'équipe a également montré qu'elle pouvait isoler des groupes spécifiques de particules avec une phase définie, créant ainsi une nouvelle façon de sélectionner et de manipuler les états quantiques. Cette capacité ouvre la voie à l'utilisation de la phase comme une ressource pour encoder l'information, offrant un nouvel outil pour le traitement de l'information quantique qui était auparavant inaccessible.

La portée de ce travail réside dans sa capacité à transformer un mystère théorique en un outil pratique. Pour la première fois, les scientifiques disposent d'une méthode pour mesurer la phase quantique d'un système multiparticulaire en reconstruisant la matrice densité et en évaluant les observables de phase pertinentes, plutôt qu'en s'appuyant sur des calculs indirects ou des suppositions. Cette réussite fournit une base solide pour les futures expériences en métrologie et en détection quantiques, où des mesures précises de phase peuvent conduire à des détecteurs incroyablement sensibles. Elle offre également une nouvelle perspective sur la nature de l'incertitude quantique, montnant que le flou du monde quantique n'est pas seulement une limitation, mais une caractéristique structurée qui peut être cartographiée et comprise. En résolvant la phase de jusqu'à quinze particules, les chercheurs ont comblé le fossé entre les mathématiques abstraites de la théorie quantique et la réalité tangible de la physique expérimentale, prouvant que même les quantités les plus évasives peuvent être mises au point avec la bonne approche.