Bonsoir à tous. Merci d'être venus aussi nombreux à ce nouveau rendez-vous des mardis de l'espace des sciences. Je vous donne juste le petit rendez-vous de la semaine prochaine, comme je fais habituellement. Alors vous savez qu'en ce moment, il s'est passé un drame à l'espace des sciences, un meurtre à l'espace des sciences.
Mais oui, vous êtes arrivés dans un endroit extrêmement dangereux. Je ne vous l'ai pas dit avant pour ne pas vous catastropher. Donc il y a eu un meurtre à l'espace des sciences, vous avez le droit de mener l'enquête, il faut venir là-haut visiter l'exposition, moi je l'ai fait, j'ai trouvé le coupable en trichant tout le temps, je crois que sinon je ne l'aurais jamais trouvé.
Donc la semaine prochaine nous aurons une conférence qui s'intitule scène de mort, scène de crime avec Marie-Annick Le Goethe qui est médecin légiste au CHU de Rennes et Michel Viellefort qui est commandant de police, chef de la section criminelle du deuxième district de la police judiciaire de Paris. Vous avez intérêt à bien vous tenir. Ça, c'est le rendez-vous de la semaine prochaine. Mais maintenant, je vous parle de notre rendez-vous de ce soir.
J'ai fait ça, d'ailleurs, un peu pour me décontracter. Comme j'avais extrêmement peur, en raison de la qualité de notre conférencier de ce soir et de la difficulté du sujet qu'il va aborder, je me suis dit, je ne peux pas le faire toute seule. J'ai trop peur. Donc, j'ai demandé à notre cher président de l'espace et sciences... Jacques Lucas de venir me soutenir dans cette épreuve, ce qu'il a accepté très volontiers et donc je le remercie, d'autant plus je crois à l'aspect que vous vous connaissez bien tous les deux, Jacques Lucas, et vous, vous faites partie je crois de quelque chose qui s'appelle la SFO, ce qui veut dire Jacques ?
Non, non, il n'y a pas besoin d'appuyer sur un bouton, ça marche tout seul. Avec Alain, effectivement, on a deux caractéristiques communes, on cotise tous les deux à la SFO, qui est la Société Française d'Optique. Et puis la deuxième caractéristique c'est qu'on est expérimentateur.
Contrairement à ce que laisseraient penser les recherches d'Alain qui sont assez théoriques. Alors Alain m'a demandé un jour est-ce que tu fais partie de l'optique ou pas ? Je lui ai dit écoute moi je fais des matériaux pour les optiques, donc je suis au bout de la chaîne. Tandis qu'Alain lui il est en haut de la chaîne, il discute de la notion de lumière, notion de photons, de choses très abstraites. Mais il se trouve que souvent à l'académie on...
On n'a un autre point commun, c'est qu'on chahute ensemble pendant les séances de l'Académie des sciences. Alors ça, je ne sais pas s'il fallait le dire ce soir. Mais enfin bon, c'est fait maintenant. Je précise donc à ceux qui ne connaissent pas encore très bien notre nouveau président de l'espace des sciences, puisqu'il a pris cette présidence il y a combien de temps maintenant ?
Huit mois. Voilà, exactement. Notre président, comme vous l'avez compris, qui est aussi membre de l'Académie des sciences depuis 2004. qui est lui chimiste.
C'est bizarre, chimiste physique. C'est quoi plutôt les matériaux en fait ? C'est les sciences des matériaux.
Alain nous traite de chimistes. Il nous dit, vous les chimistes, vous devriez voter avec nous. Et c'est vrai, on marche avec lui. Comme s'il y avait une espèce de collusion naturelle entre l'optique et la chimie.
Voilà. Et puis nous sommes vraiment heureux et fiers de vous recevoir, monsieur Aspect, ce soir. D'autant que je sais que vous avez un emploi du temps. extrêmement chargé, que vous êtes extrêmement demandé, que vous avez pris sur une journée de vacances, que vous arrivez tout droit de l'île d'Oléron en voiture pour passer cette soirée avec nous, que demain matin vous allez repartir aux Aurores parce que vous avez des obligations, que vous repartirez à 5h30.
Donc je crois vraiment que nous vous devons un grand, grand merci d'avoir accepté cette invitation. Voilà, et tous les dérangements que cela vous cause. Alors, j'ai appris... Je crois savoir que vous êtes parti d'un petit village de Gascogne pour monter à la capitale, comme on dit quand on est provincial, comme nous le sommes ici. Vous avez fait de brillantes études de physique et d'optique.
Vous êtes parti à un moment enseigner à Yaoundé, au Cameroun. Je crois qu'en fait, au départ, c'était peut-être l'enseignement qui vous intéressait davantage, non ? Oui, en fait, j'ai fait une thèse au troisième cycle en optique. Et puis, j'avais décidé en fait que je voulais enseigner à plein temps.
Donc, je voulais enseigner en classe préparatoire aux grandes écoles. Et puis, je ne sais pas, le climat de l'Afrique, la réflexion, le recul par rapport aux choses. Je me suis dit que j'avais envie de revenir vers la recherche. Alors, vous revenez en France et là, tout à coup, vous vous intéressez à la physique quantique.
Alors franchement, s'intéresser à la physique quantique, avoir un espèce de coup de foudre pour la physique quantique, moi ça me laisse sans voix. Alors le coup de foudre, c'est pas pour la physique quantique. La physique quantique, c'était une frustration profonde parce que, lorsque j'avais fait mes études, il y a bien longtemps, dans les années 60, C'était généralement assez mal enseigné et j'étais profondément frustré.
Et pendant que j'étais coopérant en Afrique, j'ai appris tout seul la mécanique quantique dans un livre qui venait de sortir, qui avait comme auteurs Cohen Tanoudji, Frank Lalloué et Bernard Duh. Et donc j'avais commencé à maîtriser le formalisme de la physique quantique. Mais il y a un deuxième problème.
C'est quoi ça ? C'est une perteuse ? Le ciel nous tombe sur la tête, c'est assez fréquent. Ah oui, c'est vrai, on n'est pas loin d'Astérix.
Et donc, j'ai commencé à comprendre le formalisme de la physique quantique, mais en revanche, on se pose des tas de questions sur l'interprétation de ce formalisme. Et en rentant d'Afrique, je suis tombé sur un article signé par John Bell, où là, je suis vraiment tombé, j'ai eu un coup de foudre. pour la problématique de cet article.
Et voilà, à partir de là, j'ai eu envie de faire des expériences qui découlaient naturellement de cet article. Des expériences qui ont duré environ 8 ans avant ? Oui, voilà, oui. Les résultats sont sortis 8 ans plus tard. Alors, sur Internet, j'ai beaucoup aimé cette expression.
C'est en 1982 que vous avez tranché le vieux débat entre Albert Einstein et Niels Bohr, sans qu'aucun des deux ne le sache, malheureusement. je suis un petit peu tard, grâce à des expériences devenues célèbres et qui valident le phénomène d'intrication quantique. C'est bien ça ? Oui.
Vous ne voulez pas que je commente ça ? Parce que sinon, on en a pour deux heures. Non, non, non, non, non. Alors, je précise que vous avez eu la médaille d'or du CNRS en 2005. Vous êtes membre du Haut Conseil...
de la science et de la technologie. Enfin, vous l'étiez en tout cas en 2006. Je ne sais pas si vous l'êtes toujours. Si, si, j'ai été renouvelé.
Je fais partie... Bravo. Parce que le premier conseil avait été nommé par Chirac.
Et je fais partie des gens qui ont survécu au changement de régime, si j'ose dire. Oui. Vous êtes aussi membre de l'Académie des sciences américaines depuis 2008. Oui, c'est un très grand honneur.
L'an dernier, quand j'ai été reçu à l'Académie des sciences américaines, pour la première fois depuis 25 ans. Le président des Etats-Unis est venu s'adresser, donc j'ai eu Obama live devant moi. Oh, quelle chance ! Ah oui, c'était un grand plaisir. Et puis vous venez de recevoir le prix Wolf de physique pour vos, alors je lis, je cite là aussi, pour vos contributions conceptuelles et expérimentales à la physique quantique, c'est bien ça ?
Oui. Et vous recevrez ce prix en fait le 13 mai, il ne vous a pas encore été promis ? Oui, je pense que si j'ai bien compris, ça va être remis à la CNESET. par le président Chimane Pérez. Mais entre Jacques et moi, on se dit c'est bien l'antichambre du...
prix Nobel. Micro, Jacques. On dit que c'est le prix le plus brillant en physique après le prix Nobel.
C'est tout ? Il n'est plus pas ? Ah oui, c'est le plus brillant.
D'ailleurs, dans un article que tu m'as donné ce matin. Oui, je l'ai oublié. On disait cela. Bon, ben voilà. Maintenant, après vous avoir dit tout le plaisir que nous avons apporté.
à vous retrouver ici sur ce plateau. Pour la petite histoire aussi, Alain, l'autre jour, parce que dans l'académie, on bavarde entre nous, il m'a avoué qu'il était un des plus jeunes fonctionnaires. Tu te rappelles quand on a parlé de retraite, puisqu'on était entre retraités.
Et là, j'ai appris qu'il était rentré à l'école normale à 19 ans, à 18 ans. À 18 ans ! C'est pas mal, hein ? Pas mal.
Donc il a cotisé un certain nombre d'années. Et il continue. Voilà. Alors il faut aussi que je vous précise que cette conférence, nous l'organisons, nous avions de toute façon très envie de vous recevoir, mais c'est vrai qu'elle s'inscrit un petit peu dans les manifestations pour le 50e anniversaire du laser, qui vont être largement célébrées en Bretagne. D'ailleurs...
grâce à une conférence qui aura lieu jeudi prochain à Lagnon. Et puis on vous en reparlera très régulièrement. Marc Vallée et Marc Brunel, qui sont ici dans cette salle, viendront nous faire une conférence ici pour nous montrer les applications du laser. Ce sera au mois d'octobre, une conférence qu'ils ont déjà donnée à Saint-Malo, qui a eu un très très grand succès.
Et puis je sais qu'il y aura aussi beaucoup de choses au diapason. On aura l'occasion de vous les annoncer au fur et à mesure. C'est en même temps aussi cet anniversaire que nous fêtons en organisant cette conférence.
Je suis sûre que nous allons passer une très très bonne soirée tous ensemble. Ouvrez bien vos esprits, grande vos oreilles et je suis sûre qu'on va tout comprendre. Enfin, je vais comprendre ce qu'est une bonne soirée à tous. Applaudissements Écoutez, c'est vraiment un grand plaisir d'être ici ce soir devant une pareille audience, malgré... On m'a dit qu'il y avait un match de foot qui fait concurrence, donc c'est bien.
Oui, je suis particulièrement heureux d'être ici parce que, pour un opticien, la Bretagne est une terre d'optique depuis longtemps, donc c'est un endroit privilégié. Et qui plus est, je me suis laissé dire que c'était... C'était l'un des centres de culture scientifique les plus actifs et qui avait la plus grande fréquentation en France, à l'exception peut-être du Palais de la Découverte.
Donc, moi, je suis extrêmement sensible au fait que les scientifiques professionnels rencontrent un public. Je ne sais pas s'il y a des journalistes dans la salle, mais si les journalistes venaient un peu plus souvent... Voir que la science est capable de faire recette au prix du public, peut-être qu'il massacrerait un peu moins les pages science dans les journaux, parce que les moins jeunes d'entre nous sont probablement atterrés comme moi.
Devant le fait qu'il y a 20 ans ou 30 ans, les grands quotidiens nationaux avaient des superbes pages scientifiques qui malheureusement ont disparu, et je crois que ces gens-là se trompent quand ils pensent qu'il n'y a pas d'intérêt du public pour la science. Donc félicitations à l'espace des sciences de Rennes pour... pour maintenir haut le flambeau de la vulgarisation scientifique, comme on dit.
Moi, je n'ai rien contre le terme popularisation comme disent les anglo-saxons. Alors aujourd'hui, je vais vous parler des bizarreries... de l'étrangeté quantique, mais aujourd'hui, ce ne sera pas l'intrication. L'intrication, c'est un cran de plus, donc il faudra me réinviter une autre fois.
Aujourd'hui, je vais vous parler de la première étape de la bizarrerie quantique, c'est la dualité onde-particules ou la dualité onde-corpuscules, qui a été pensée pour la première fois par Albert Einstein. Vous voyez, ce n'est pas la photo habituelle. Combien de temps à propos ?
Deux heures, vous m'avez dit ? Oui, il faut que je sois parti à cinq heures, quand même. Oui, j'aime bien cette photo d'Einstein jeune, à l'époque où il était employé au bureau des brevets de Berne, parce que c'est quand même là qu'il a eu un certain nombre d'idées fulgurantes en 1905, dont cette dualité onde-corpuscule a été pensée par Einstein. Et puis, elle a donné lieu à des débats. qui n'ont pas cessé tout au long du XXe siècle.
Et comme je vous l'expliquerai, le débat a pas mal rebondi avec une idée assez fulgurante de John Archibald Wheeler, qu'on voit ici et qui malheureusement a disparu l'année même où on a réalisé l'expérience de Wheeler dont je vous parlerai tout à l'heure. Ah oui, alors je ne vous ai pas prévenu, mes transparences sont en anglais. S'il y a des gens qui comprennent moins bien le français ou qui ont du mal à suivre mon accent, peut-être qu'ils comprendront mieux les transparents anglais, le problème est le suivant. Je fais assez régulièrement ce genre de conférences et chaque fois que je la fais, je modifie un petit peu les transparents.
L'expérience montre qu'on n'arrive pas à modifier en parallèle deux séries de transparents, une série en anglais et une série en français, dont j'ai décidé une bonne fois pour toutes. d'avoir mes transparents en anglais et puis je fais le son en anglais quand je suis en France et en anglais quand je suis dans un pays non francophone. Donc, depuis que l'homme essaye de penser la nature de la lumière, on a vu s'affronter deux modèles, le modèle ondulatoire et le modèle corpusculaire de la lumière. Et par exemple, ici, une superbe... Gravure, c'est une stèle en fait des Égyptiens, où on voit le dieu Soleil qui émet des sortes de fleurs multicolores.
Donc pour ces gens-là, la lumière est composée de fleurs multicolores. Après tout, ce n'est pas si différent de l'idée que Newton avait de la lumière formée de grains de lumière, eux aussi multicolores, puisque vous savez que Newton a démontré que la lumière blanche se décomposait en composantes multicolores. Ce qui est assez amusant quand on regarde un petit peu plus en détail les idées qu'avaient les anciens, c'est qu'il y avait...
Une image qui correspond à celle qu'on a actuellement, où la lumière est émise par les objets brillants et va vers votre œil. Mais il y avait aussi certains concepts où il y avait des particules qui partaient de votre œil, qui allaient vers l'objet et qui revenaient vers votre œil, une sorte de radar, en quelque sorte, ou d'échographe, de sonar. Bref, il ne faut pas vouloir faire dire trop, mais c'est quand même...
Les gens se posaient la question, qu'est-ce que la lumière ? Alors au Moyen-Âge... On a un progrès immense de l'optique, mais finalement ce n'est pas un progrès conceptuel, c'est un progrès technique.
C'est-à-dire que les gens découvrent qu'en polissant des morceaux de verre et en leur donnant des formes adéquates, on arrive à inventer un objet qui est particulièrement utile aux plus de 50 ans, qui sont les lunettes correctrices, qui permettent de lutter contre la presbytie, ou qui est également très utile pour les gens qui ont... qui naissent, par exemple, myopes. Et puis, dans la foulée, on apprend à combiner ces lentilles entre elles et on invente le microscope, le télescope.
Vous avez les noms de Galilée, Kepler, etc. Mais là, vous voyez, on ne se pose pas trop de questions sur la nature de la lumière. On observe et, de façon empirique, on développe une optique de l'ingénieur.
Et puis, au XVIIe siècle, période conceptuelle de nouveau, et là... Deux très grands noms, Huygens, qui a l'idée que la lumière ce sont des ondes, et l'analogie, vous voyez c'est un dessin de Huygens où on a la flamme de la bougie, et de chaque point de la flamme de la bougie il y a des petites ondelettes qui partent, et l'idée qu'il a, c'est analogue au rond que vous avez dans l'eau, lorsque vous jetez une pierre dans l'eau, vous voyez les ronds. Et puis Huygens, c'est assez génial ce que fait Huygens, mais il n'a pas de chance, parce qu'il tombe en face d'un opposant tout à fait coriace qui s'appelle Newton, qui lui est un partisan de la théorie corpusculaire de la lumière. Et Newton va s'imposer, probablement pas parce que son optique est particulièrement meilleure que celle de Huygens, mais tout simplement parce que Newton, vous le savez, est l'inventeur. ou le découvreur, je ne sais pas comment il faudrait dire, de la théorie de la gravitation universelle, et il est capable de démontrer, à partir de la loi de la gravitation universelle, qu'il peut interpréter parfaitement le mouvement des planètes.
C'est un triomphe, évidemment, tout à fait considérable, et ça donne à Newton un tel prestige, un tel argument d'autorité, qu'il n'a pas de difficulté à imposer son optique corpusculaire. Bon, qui plus est, il faut ajouter que son optique est très belle. que Newton était un expérimentateur remarquable.
C'est quand même une très belle page de l'histoire des sciences. Bref, toujours est-il que le malheureux Huygens se fait battre à plate couture par Newton, qui est un tenant de la théorie corpusculaire. Et tout ça va durer jusqu'au début du XIXe siècle.
Et puis, au début du XIXe siècle, il y a deux génies absolus, Jung en Angleterre, Young en Angleterre, il ne faut pas dire Young. et puis Fresnel en France, qui par une série d'expériences sur les interférences et la diffraction, démontre sans l'ombre d'une contestation possible que la lumière doit être conçue comme une onde. Il y a d'ailleurs un épisode assez intéressant à l'Académie des sciences.
Dans l'année 1822, l'Académie des sciences... mettait des sujets au concours. Et le sujet au concours, c'était la nature de la lumière. Et Fresnel présente son mémoire où il conclut que la lumière est une onde à partir d'un certain nombre d'arguments extrêmement forts. Il convainc une partie de l'Académie, et il faut que vous compreniez que les grands savants de l'époque, les Laplace, les Monge, tous ces gens-là, étaient des gens...
complètement subjugés par la théorie de la gravitation universelle et par la mécanique de Newton, et arriver à leur faire avaler que Newton avait tort, même si c'était anoptique, c'était difficile. Une partie se rend aux arguments de Fresnel, néanmoins, un qui est célèbre, qui s'appelle Poisson, résiste, et dit que cette théorie de Fresnel est complètement idiote, parce que si j'applique cette théorie de Fresnel, je peux vous démontrer que si je mets un écran opaque, à un endroit précis derrière l'écran opaque, il doit y avoir un point brillant. Alors il y a un morceau particulièrement glorieux de l'histoire des sciences, où Arago et Ampère, deux très grands savants, partent monter l'expérience. Ce n'était pas facile de faire des expériences.
C'est pas comme aujourd'hui, on n'avait pas des sources lumineuses aisées à manipuler, etc. Ils montent à l'expérience, ils observent le point brillant qui s'appelle désormais le point brillant de poisson, et l'ensemble de l'académie bascule en faveur de Fresnel. Donc on est convaincus, au-delà de tout doute possible, que la lumière est constituée par des ondes, mais on ne sait absolument pas quelle est la nature de ces ondes. Et puis, quelques décennies plus tard, Maxwell, autre immense savant écossais, développe sa théorie des ondes électromagnétiques, et tout le monde conclut que la lumière est certainement une onde électromagnétique. Donc le problème est réglé, et d'ailleurs, le grand savant qui est Lord Kelvin peut déclarer en 1900 que la physique est achevée.
compris tous les concepts fondamentaux. Et le seul travail qui reste aux physiciens, c'est d'effectuer des mesures de plus en plus précises d'un certain nombre de grandeurs, par exemple la vitesse de la lumière et bien d'autres grandeurs. Mais tous les concepts de base sont compris. À l'exception quand même, dit Kelvin, qui n'était pas du tout un idiot, il y a deux détails qui restent à régler pour ceux qui veulent vraiment fouiner. Il y a le résultat négatif de l'expérience de Michelson.
et puis une anomalie dans la capacité calorifique des solides à basse température. Et je vous donne la fin de l'histoire, la fin de l'enquête, puisqu'ici vous êtes très intéressés par les enquêtes scientifiques. La fin de l'enquête, c'est que pour comprendre le résultat négatif de l'expérience de Michelson, il ne faudra pas moins que la relativité d'Einstein, et pour comprendre les anomalies sur la capacité calorifique des solides, il ne faudra pas moins que la... le développement de la physique quantique. Donc, il ne faut pas se moquer de Kelvin, il avait quand même bien vu qu'il y avait deux endroits qui coinçaient.
Bref, nous sommes en 1900, tout le monde est persuadé que la lumière est constituée d'ondes électromagnétiques, et donc, circuler, il n'y a plus rien à voir. Et puis, en 1905, un galopin, qui est employé au bureau des brevets... de Berne, écrit un article.
Alors en 1905, il écrit de nombreux articles, mais dont trois au moins, et probablement quatre, vaudraient chacun le prix Nobel à son auteur. Dont il y a l'article sur la relativité, il y a l'article sur le mouvement brownien, et puis il écrit aussi un article sur l'effet photoélectrique dans lequel Einstein conclut que la lumière doit être faite de quanta, qui sont des grains élémentaires d'énergie. Ce n'est pas lui qui donne le nom de photon. Le nom de photon sera donné plus tard par un chimiste, Jacques, qui s'appelle Lewis, en 1922. C'est un chimiste qui invente le mot photon. Mais Einstein appelle ça Lichtquanten, le quantum de lumière.
Et donc, ah oui, j'ai aussi quelques équations sur mes transparents. Alors là, je vais vous demander de ne pas vous lever et partir, ceux qui n'aiment pas les équations, parce que quand vous allez au concert, même si vous ne savez pas lire la musique, vous écoutez quand même la musique. musique d'accord donc il ya des gens qui savent lire la musique c'est très bien mais il ya ceux qui savent pas la lire il écoute quand même alors ceux qui savent lire les équations vous avez le droit de lire les équations et les autres vous écoutez ma musique d'accord donc ne vous affolez pas pour les équations donc einstein par un certain nombre de raisonnements dont il a le secret enfin qui sont très claires d'ailleurs c'est des articles on peut donner à étudier aux étudiants conclut que la lumière est faite de grains de particules qui ont une énergie proportionnelle à la fréquence et une quantité de mouvement qui est, au fond, la quantité mécanique qui fait que la lumière peut repousser les obstacles. Cette quantité de mouvement est également proportionnelle à la fréquence. Alors, grâce à ça, il fait des prévisions quantitatives sur l'effet photoélectrique, mais son article tombe complètement à plat.
Mais alors, quand je dis complètement à plat, c'est même dramatique. Parce qu'en 1911, alors qu'Einstein a déjà un certain nombre de succès considérables à son actif et qu'il est élu à l'Académie des sciences de Prusse, le rapport qu'on a dans les archives qui parle de la nomination d'Einstein dit Certes, de temps en temps, il a commis des erreurs grossières, par exemple avec sa loi de l'effet photoélectrique. Néanmoins, ses autres succès sont suffisamment considérables pour qu'on ait décidé de les lire. L'Académie des sciences de Proust.
Alors que va-t-il se passer en 1915 ? Un grand physicien expérimentateur américain qui s'appelle Millikan... qui est là, qui était président de Stanford dans les années 1930. Millikan, c'est celui qui a mesuré la charge de l'électron. C'est un très très grand physicien expérimentateur. Et il commence une série d'expériences destinées à démontrer qu'Einstein a tort.
Il l'écrit lui-même dans ses articles, dans ses mémoires, Millikan. Mais c'est un grand expérimentateur, il croit aux résultats de l'expérience, et au bout de deux ans d'efforts, il démontre qu'Einstein a raison. Et donc... Tout le monde va se mettre à croire à cette histoire de la lumière faite de particules, les photons, et en 1922, le prix Nobel sera donné à Einstein, non pas pour la relativité, non pas pour le membrodien, mais pour l'effet photoélectrique, explicitement. Et puis, de nouvelles expériences, les expériences de Compton en 1923, montrent sans aucun doute qu'effectivement, il faut considérer le rayonnement, en l'occurrence les rayons X.
comme formé de particules, comme formé de photons. Donc, est-ce la fin de l'histoire ? Pas vraiment, parce que ce n'est pas parce qu'on a quelques arguments pour dire que la lumière est formée de particules qu'il faut oublier tous les phénomènes d'interférence et de diffraction.
Je vais y revenir dans un moment. Pour interpréter les phénomènes d'interférence et de diffraction, Einstein, mieux que personne, savait qu'il fallait un modèle ondulatoire. Et donc, comment réconcilier la description en termes de particules avec cette description en termes d'ondes, qui est absolument indispensable si on veut comprendre les phénomènes d'interférence et de diffraction ? Et donc, finalement, c'est formé de particules ou c'est une onde, la lumière ? Eh bien, la réponse, c'est la dualité onde-particules.
Alors ici... Une formule un petit peu compliquée, que vous ne regardez pas, sauf si vous êtes vraiment aficionado, mais c'est pour dire qu'Einstein, évidemment, n'ignorait pas le problème, et dès 1909, Einstein, par une série de raisonnements, dont un raisonnement particulièrement intéressant ici, démontre qu'il existe des propriétés du rayonnement qui mettent à la fois en jeu un terme que l'on ne peut comprendre que si le rayonnement est formé de particules, plus un deuxième terme qu'on ne peut comprendre que si le rayonnement est formé d'ondes. Et donc dès 1909, Einstein conclut que la lumière, le rayonnement, est à la fois une onde et des particules.
Alors vous savez probablement tous que, quelques années plus tard, plus de dix ans plus tard, Louis de Broglie fait de ceci un principe absolu. et dit que les ondes ont aussi des particules associées et réciproquement, les particules, par exemple les électrons, doivent être associées à une onde et donc les électrons eux-mêmes vont pouvoir se comporter comme des ondes et vont donner lieu au phénomène d'interférence et de diffraction. Alors, est-ce que le problème est réglé ? Parce qu'on a prononcé les mots magiques dualité ondes-particules. Moi, à mon avis, non, parce que c'est facile de prononcer la formule.
On peut se mettre à l'absalmodier, tous, dualité en deux particules, dualité en deux particules. Ce n'est pas pour autant que nous aurons compris les concepts. Et en particulier, ce n'est pas pour autant qu'on aura réussi à se le représenter par des images.
Et je vais essayer de vous montrer ça. Mais avant de vous parler des difficultés de la mécanique quantique, je voudrais lutter un petit peu contre la tendance de certains. de se focaliser uniquement sur les difficultés.
Je suis le premier à reconnaître les difficultés de la mécanique quantique. J'ai même consacré l'essentiel de ma vie scientifique à essayer d'élucider de façon expérimentale ces difficultés. Mais la première chose à dire, c'est que la mécanique quantique est d'abord une théorie extraordinairement fructueuse.
Tout le monde parle de la relativité. La relativité est une théorie. juste, mais le nombre de phénomènes auxquels s'applique la relativité est extrêmement restreint. La mécanique quantique, au contraire, s'applique à un nombre incalculable, innombrable de phénomènes.
La mécanique quantique, d'abord, la première chose qu'elle a faite, c'est qu'elle a permis de comprendre la structure de la matière. Ceux d'entre vous qui savent que la matière est faite de charges positives et négatives, Ce que l'on savait à la fin du XIXe siècle, vous ne savez peut-être pas que la physique classique était incapable d'expliquer que la matière formelle, formée de charges positives et négatives, ne s'effondre pas sur elle-même. Vous savez tous que les charges positives et les charges négatives s'attirent.
Si vous avez des charges positives et négatives dans la matière, elles devraient s'attirer et la matière devrait s'effondrer sur elle-même. Il n'y avait aucune explication raisonnable dans le cadre de la physique de la fin du XIXe siècle pour comprendre que la matière soit stable et ne s'effondre pas sur elle-même. Il a fallu la physique quantique. Et l'explication, c'est la dualité onde-particules.
En effet, imaginez une charge positive et une charge négative. Elles ont tendance à aller l'une vers l'autre, et donc ça va faire un objet de plus en plus petit. C'est le modèle le plus élémentaire de la matière qui s'effondre sur elle-même.
Que va-t-il se passer lorsque les dimensions deviennent de plus en plus petites ? Si je me souviens maintenant qu'à toute particule, je dois associer une onde, je vais donc avoir une onde dont la longueur d'onde sera de plus en plus petite. Ce qui veut dire que je vais devoir lui associer une fréquence de plus en plus élevée.
Alors si vous n'avez pas suivi les mots longueur d'onde, etc., la plupart d'entre vous savent quand même que quand je prends une guitare, si je raccourcis la longueur de la corde, le son est de plus en plus aigu. Donc j'ai une fréquence de plus en plus élevée. Si j'ai une fréquence de plus en plus élevée associée à ma particule, à cause de la relation d'Einstein E égale H nu, je vais devoir associer une énergie de plus en plus grande.
Et si... la charge positive et la charge négative vont vraiment l'une contre l'autre, pour arriver à obtenir ce résultat, il faudrait fournir une énergie infinie. Oui, mais elle n'y est pas, cette énergie.
Personne n'est là pour la donner, cette énergie. Et donc, ce qui stabilise la matière, c'est le fait que pour arriver à des distances de plus en plus courtes entre les particules, il faudrait fournir une énergie dont on ne dispose pas. Alors, pour ceux qui ne sont pas sûrs d'avoir complètement compris, vous avez tous entendu dire...
qu'on a besoin d'accélérateurs de particules de plus en plus énergiques pour aller sonder la matière à des échelles de plus en plus courtes. C'est exactement ce que je viens de vous expliquer. Pour avoir des objets de plus en plus petits, il faut des énergies immenses et donc ce qui stabilise la matière, c'est la dualité en deux particules.
Donc je reviens à mes moutons, la mécanique quantique permet d'élucider complètement la structure de la matière. ses propriétés électriques, mécaniques, optiques. Ça permet aussi de comprendre des propriétés exotiques, par exemple la supraconductivité, la superfluidité de l'hélium, la fameuse condensation de Bose-Einstein. Si vous m'invitez une troisième fois, je pourrais vous parler de la condensation de Bose-Einstein. Et surtout, non pas surtout, mais en plus, la mécanique quantique permet d'inventer de nouveaux dispositifs, le transistor et le laser.
Alors, ce que je veux dire par là, c'est que ni le transistor ni le laser n'ont été inventés par un bricoleur génial au fond de son garage en Californie ou en Bretagne ou ailleurs. Ce sont les plus grands physiciens des années 1940 qui, réfléchissant à la façon dont la physique quantique décrit la conduction de la matière, et en particulier des semi-conducteurs, ont l'idée qu'on pourrait développer des transistors. Il faut pour cela des matériaux d'une pureté qui n'existent pas à l'état naturel.
Il faut développer des méthodes d'ingénieurs extraordinairement sophistiquées pour purifier les matériaux, et à la fin, effectivement, comme prévu par les équations de la mécanique quantique, on a des systèmes qui s'appellent les transistors et qui ensuite vont donner naissance aux circuits intégrés. et donc aux ordinateurs. De la même façon, le laser n'a pas été inventé par hasard. Ce sont les physiciens, à la même époque, au lendemain de la Deuxième Guerre mondiale, qui, réfléchissant à la façon dont la physique quantique décrit l'interaction entre la lumière et la matière, développent le concept de laser et ensuite, au prix d'efforts techniques très ardus et très difficiles, arrivent à la création de la lumière.
à mettre en jeu le laser. Pourquoi je vous raconte ça ? Il ne vous échappe pas qu'on a vécu, on va dire, dans les deux dernières décennies, une révolution dans nos sociétés qui est probablement aussi importante que ce qu'avait été la révolution industrielle au XIXe siècle, qui avait été permise par la machine à vapeur.
Je parle de la révolution de la société, de l'information et de la communication. Sans laser, pas de communication à haut débit par fibre optique. On est bien placé en Bretagne pour connaître la valeur des... télécommunications à fibre optique. Sans laser, il n'y a pas de télécommunications au débit à fibre optique.
Et sans circuit intégré, il n'y a pas d'ordinateur. La physique quantique a vraiment eu des succès tout à fait extraordinaires. Donc je tenais à mettre à l'accent là-dessus avant de parler des difficultés, parce que la première chose à reconnaître, ce sont ces succès stupéfiants. Et ce qui est paradoxal, c'est que ces succès ont été acquis alors même que les problèmes conceptuels n'étaient pas réglés.
D'ailleurs, il n'est pas certain qu'ils soient toujours réglés, les problèmes conceptuels, comme quoi, quelquefois... prouver le mouvement en marchant et non pas en se demandant si le mouvement existe ou pas, c'est pas mal aussi. Dans tous les exemples que je viens de vous donner ici, les succès de la physique quantique se traduisent par des équations où on applique la physique quantique à de très grands ensembles, dans un gramme, quelques grammes de matière. Il y a un nombre absolument gigantesque d'électrons, le nombre d'Avogadro, 10 puissance 23, 1 avec 23, 0 derrière.
Et quand on veut décrire le courant électrique dans ce morceau de matière, on décrit un très très grand nombre d'électrons. Donc il n'y a aucun doute sur le fait que la physique quantique permet de décrire, avec un succès considérable, un nombre immense d'objets microscopiques. Mais la question... qui continuait à se poser, je dirais, dans les années 1980, c'est est-ce que la physique quantique fonctionne aussi pour un seul objet microscopique ?
Et il y avait des débats. Alors pourquoi y avait-il des débats ? Eh bien parce que jusqu'aux années 1970, aucun expérimentateur n'avait été capable d'isoler un objet microscopique unique.
Et un physicien aussi visionnaire et aussi génial que Schrödinger avait déclaré dans les années 1940, je crois, que si quelqu'un prétendait un jour qu'il était capable de faire une expérience sur un électron unique, c'est à peu près comme si un paléontologue prétendait qu'il avait un dinosaure vivant dans une cage et qu'il pouvait montrer les propriétés de ces dinosaures vivants. Autrement dit, il faut savoir que les plus grands savants n'avait aucun doute sur le fait que la mécanique quantique s'appliquait aux très grands ensembles et des gens comme Schrödinger doutaient que la question est un sens de se demander si on pouvait appliquer la physique quantique à un objet microscopique unique. Et donc la question a rebondi dans les années 1970-1980 avec les développements expérimentaux qui ont fait que les expérimentateurs devenaient capables d'isoler et de piéger un seul électron. Et puis, vous allez le voir, on a été capable d'émettre les photons, les grains de lumière, un par un. On a été capable de piéger des ions, d'observer la lumière émise par un ion unique, etc.
Et donc, c'est de cette démarche-là que je vais vous parler maintenant. Donc, conclusion de la première... Vous voyez, comme il y a cinq parties, on est parti pour deux heures, c'est ce que je vous avais dit. Donc, conclusion de la première rubrique, est-ce que la lumière est une onde ou une particule ? Les deux, en général.
Et puis maintenant, je vais vous parler d'expériences faites avec des photons uniques. Alors, dès les années 1950, Feynman, très grand physicien américain, avait décrit une expérience dont la plupart des gens... pensaient que cette expérience avait été réalisée, mais absolument pas.
C'était une expérience pour un livre de cours, pour les étudiants. Feynman disait, voilà, si je faisais cette expérience, voilà ce qui se passerait. Parce que lui, il pensait qu'on pouvait appliquer la physique quantique à des objets uniques.
Mais personne n'avait jamais fait l'expérience. Et l'expérience qu'il décrit est la suivante. On a une source qui émet des particules, une par une.
Alors, ça peut être des électrons, ça peut être des neutrons, ça peut être des photons. Et elles sont toutes émises l'une après l'autre, mais dans le même état. Alors, qu'est-ce que ça veut dire, dans le même état ?
Ça veut dire que je fais tout ce que je peux pour faire que l'émission soit aussi identique que possible de l'une à la suivante. Je fais tout ce qui est possible, techniquement, pour que ce soit la même chose. Je les envoie sur deux trous. C'est des trous d'yong.
Et puis, j'ai ici un détecteur. Et donc, quand la particule arrive sur le détecteur, j'ai un clic. Alors, je peux compter, à une position donnée, quel est le rythme auquel les particules arrivent. puis je déplace un peu mon détecteur, je compte le rythme, et j'ai comme ça la probabilité de détection par unité de temps, ou par ce que vous voulez, par heure, par ce que vous voulez. Et ce qu'on constate, quand on déplace le détecteur, c'est qu'il y a des endroits où la probabilité de détection est nulle, vous voyez, la probabilité est destinée suivant cet axe.
Et puis il y a d'autres endroits où la probabilité de détection est maximale, et si je fais soigneusement l'expérience, nous dit Feynman, eh bien je vais observer que cette probabilité de détection est modulée sinusoïdalement, et ça, c'est le signe qu'il y a des interférences, et qu'il faut qu'il y ait une onde qui passe par les deux trous à la fois, parce qu'en effet, nous dit Feynman, si je bouche un seul trou, par exemple celui-ci ou l'autre, mais mettons qu'on ait bouché celui-ci, Lorsque je vais déplacer le détecteur, alors là, la probabilité de détecter ma particule sera absolument uniforme. Il n'y aura pas cette modulation. Et donc l'interprétation, je vais la détailler un petit peu.
Les physiciens savent depuis longtemps que lorsqu'on a une onde, que cette onde passe par deux trous à la fois, eh bien la probabilité ici d'observer, par exemple si c'est de la lumière, eh bien on va avoir des endroits où ça va être brillant. des endroits où ça va être sombre, des endroits où ça va être brillant, etc. Et ce qui est essentiel, c'est que ce que j'observe ici dépend de la différence entre la longueur du premier chemin, qui est passé par le premier trou, et le deuxième chemin, qui est passé par le deuxième trou.
Et pour observer ces interférences, il faut absolument être passé par les deux trous à la fois, ce qui a été démontré par le fait que si je bouche l'un des trous, il n'y a plus d'interférence. Une petite explication pour ceux qui ne se souviennent plus de ce que leur a expliqué leur prof de physique. Lorsque l'onde arrive ici, sur les deux trous, on peut admettre, en fait Huygens en avait eu l'intuition et Fresnel l'a magnifiquement, magistralement développé, qu'on peut considérer qu'il y a des ondes qui partent du premier trou et des ondes qui partent du deuxième trou.
Et j'ai ici une onde, c'est quoi ? C'est quelque chose qui oscille. Tantôt c'est positif, tantôt c'est négatif.
Et j'ai dessiné ici l'amplitude, vous voyez c'est positif puis négatif, de l'onde qui vient du premier trou. Et puis j'ai ici l'amplitude positive et négative de l'onde qui vient du deuxième trou. Si je suis à un endroit où les trajets sont égaux, Les deux ondes arrivent en phase.
Qu'est-ce que ça veut dire ? Ça veut dire que ça oscille ensemble. Comme ça oscille ensemble, lorsque je fais l'addition, ça monte deux fois plus haut. Et ça va être un endroit où je vais avoir une frange brillante. En revanche, si je me déplace un peu ici, il y a un chemin qui est un peu plus long que l'autre.
J'ai donc une onde qui va arriver, j'ai donc une onde ici qui va arriver en retard. par rapport à l'autre. Et imaginons que le retard est juste ce qu'il faut pour que quand il y en a une qui monte, l'autre descend. Il y en a une qui est positive, l'autre est négative. Addition d'un nombre positif et d'un nombre négatif, s'ils ont la même valeur absolue, ça fait zéro.
Et donc, quand je suis à un endroit où la différence est juste ce qu'il faut pour qu'elle vibre en position de phase, je vais avoir ce qu'on appelle une frange noire, c'est-à-dire qu'à cet endroit-là, il n'y aura pas de lumière. Donc, l'existence d'une modulation sinusoïdale ici prouve que l'objet que je suis en train de décrire est une onde qui est passée par les deux trous à la fois. Alors, Feynman affirme dans son cours de physique, en 1956 ou 1958, que même pour une particule unique, comme je dois lui associer une onde, Je vais observer une probabilité de détection qui est maximale à certains endroits et nulle à d'autres endroits. Alors on pouvait se poser la question, mais Feynman nous raconte cette expérience, est-ce qu'elle a été réalisée cette expérience ?
Et tout le monde pensait qu'elle avait été réalisée. Et en réalité, avec la lumière, avec les photons, elle n'avait jamais été réalisée. Je reviendrai un peu plus tard sur la raison pour laquelle personne ne l'avait fait jusque-là, ce n'est pas du tout parce que les gens étaient des idiots. Mais c'est parce qu'il y avait une légère difficulté, c'est que personne ne savait produire les photons un par un. Et en 1985, pour la première fois, Philippe Grangier, qui était mon premier étudiant de thèse, et j'étais aussi là, derrière son dos, en train de vérifier qu'il tournait les boutons dans le bon sens, eh bien, nous avons, pour la première fois, réalisé une expérience d'interférence, photon par photon.
Et la question est, mais... Comment avons-nous prouvé que nous réalisions vraiment une expérience d'interférence avec les photons bien séparés, avec un seul photon à la fois, puisque c'est la difficulté sur laquelle avait bu. ...tous nos prédécesseurs.
Je vais vous expliquer ça. L'idée en fait est extrêmement simple. Comment distinguer une onde d'une particule ?
Eh bien, l'idée que nous avons eue était la suivante. Vous envoyez une onde, vous avez les deux trous, les deux trous d'yong ici. Si c'est une onde, je vous ai expliqué, il y a des petites ondelettes qui sont émises par les deux trous. Si j'ai un détecteur ici...
ce détecteur va être activé régulièrement, va émettre des signaux électriques que je peux détecter ici régulièrement. L'autre va également émettre régulièrement et il n'y a aucune raison pour que les deux détecteurs ne soient pas activés simultanément. Donc si j'ai ici un compteur qui compte combien de fois ce détecteur est activé, il va trouver une probabilité différente de zéro.
De l'autre côté, de la même façon, il a une certaine probabilité d'être activé, mais j'ai ici un compteur spécial, une électronique particulière, qui s'appelle un compteur en coïncidence, qui est capable de me dire, tiens, le premier détecteur et le deuxième ont été activés exactement au même moment. Eh bien, si c'est une onde, le compteur de coïncidence va me dire qu'il y a une probabilité non nulle d'avoir une activation simultanée des deux détecteurs. Donc, si j'ai une onde, Eh bien, je vais avoir ce détecteur de coïncidence qui va me donner un signal différent de zéro.
Et il faut savoir que toutes les sources de lumière que l'on connaissait jusqu'à la fin des années 1970 étaient des sources de lumière dans lesquelles on observait exactement ce comportement ondulatoire. Alors vous allez me dire, mais il suffit d'atténuer la lumière. Eh bien non, parce que quand vous atténuez la lumière, vous avez un processus statistique qui fait qu'il y a toujours une certaine probabilité d'en avoir deux à la fois. C'est ce qu'on appelle une distribution de poissons.
Et quand on atténue la lumière, quel que soit le niveau d'atténuation, il y a toujours une certaine probabilité d'en avoir deux à la fois. Et donc, en fait, on n'arrive pas à isoler les photons uniques. Alors si on voulait prouver, imaginons qu'on a été assez malins pour construire une source qui émet les particules une par une. Eh bien, à ce moment-là...
Mon expérience avec le détecteur de coïncidence va me dire que j'ai soit le premier détecteur qui fonctionne, soit le deuxième détecteur, mais en aucun cas les deux à la fois. Si c'est vraiment une particule unique, elle va être détectée d'un côté ou de l'autre, pas des deux côtés à la fois. Et donc j'ai maintenant un critère, puisque si j'envoie ma lumière ici, donc je ne sais pas si elle est une onde ou formée de particules bien séparées les unes derrière les autres.
Si... la probabilité de coïncidence est nulle, je pourrais dire que ce sont des photons bien séparés. En revanche, si j'ai une probabilité de coïncidence différente de zéro, eh bien, à ce moment-là, ce sera une description par une onde.
Alors tout ça, ça a l'air bien joli. Pour un mathématicien, l'idée que quelque chose est nul ou n'est pas nul est une idée, on ne peut plus naturelle. Pour un physicien, ça ne se passe pas du tout comme ça. Parce qu'un véritable appareil de mesure a un signal Mais il y a aussi du bruit.
Et donc, il y a toujours quelque chose. Zéro n'existe pas dans un appareil de mesure. Et donc, la question est, avons-nous un critère pour discriminer entre le comportement corpusculaire, qui est du genre une probabilité nulle, ou le comportement ondulatoire, qui est une probabilité clairement non nulle ? Eh bien, avec Grangier, nous avons effectivement trouvé un critère de cet ordre. Et pour exprimer ce critère...
En fait, plutôt que d'utiliser des trous d'yong, on a préféré utiliser une lame semi-réfléchissante. Une lame semi-réfléchissante, c'est par exemple un morceau de verre. Tout le monde sait que la lumière, sur un morceau de verre, il y a une partie qui réfléchit, une partie qui est transmise, les glaces centaines, les choses comme ça. Et donc, la question est la suivante.
Si j'envoie un faisceau de lumière là-dessus, si c'est une onde, elle va se partager en deux et on aura... la probabilité de détection qui sera différente de zéro, mais si c'est un photon unique, il ira soit d'un côté, soit de l'autre, et on recommence avec l'histoire que la probabilité de détection sera nulle. Voilà.
Alors en fait, ce qu'on a pu faire avec Rangier, c'est décrire quelques équations, ici encore c'est pour les aficionados. Si on a une onde, la probabilité de détection conjointe va être proportionnelle au carré de l'intensité. Et dans ce cas-là, à cause de cette inégalité mathématique que certains d'entre vous connaissent et qui s'appelle...
On appelle une inégalité de Cauchy-Schwarz. On peut démontrer que dans le cas où on a une onde, on aura toujours la probabilité de détection en coïncidence qui sera supérieure au produit des probabilités de détection simple. Je résume.
J'envoie mon faisceau de lumière là-dessus. J'ai un compteur qui me donne un certain nombre de coups par seconde. Un deuxième compteur qui mesure un signal.
et un compteur en coïncidence qui mesure un signal. Si j'ai une onde, le signal que je mesure ici est nécessairement plus grand que le produit des deux signaux qui sont là. Si ce rapport est plus petit que 1, ça ne peut en aucun cas être décrit par une onde. Si c'était des particules idéales, ce serait 0. Si j'ai un peu de bruit dans mes détecteurs, ce sera peut-être différent de 0. Mais tant que c'est plus petit qu'un, c'est certainement que c'est une particule qui va soit d'un côté, soit de l'autre. D'accord ?
Alors, on a fait l'expérience. Et la difficulté de l'expérience est la suivante. Dans toutes les sources de lumière que vous connaissez, qu'il s'agisse des lampes qui m'éblouissent, cela a ce qui fait que je ne vous vois pas, ce qui est assez désagréable comme impression. Mais enfin, c'est comme ça. C'est la vie d'artiste.
Donc, je... Vous avez cette lampe qui est là-haut, ou les lampes à décharge, ou mon laser. Vous avez des milliards de milliards d'atomes ou de molécules en train d'émettre simultanément. Encore une fois, un nombre qui est de l'ordre du nombre d'Avogadro.
Donc, même si chaque source émet un photon à la fois, comme toutes ces sources émettent ensemble, vous avez une grande soupe statistique, et avec une distribution qui, comme je le disais tout à l'heure, est du genre distribution de poissons. qui fait que vous n'arrivez pas à isoler les photons un par un. Donc le secret pour arriver à émettre les photons un par un, c'est de prendre un émetteur unique. Donc, comment faire les photons un par un ?
Prenez un atome unique et faites-le émettre. Mais à l'époque, personne ne savait prendre un atome unique. C'est à ce moment-là qu'on a commencé à apprendre à isoler les objets microscopiques un par un.
Et nous, notre astuce... Ça a été de prendre une source qui avait été développée pour les fameux tests de l'intrication, ce que je vous ferai une autre fois, et dans cette source, les photons étaient émis par paire. Donc on avait une paire émise, un vert, un violet, et puis plus rien. Puis une paire émise, un vert, un violet...
et puis plus rien. Et donc notre idée, ça a été de dire, voilà, chaque fois qu'on va détecter un photon vert, alors une fois qu'il est détecté, il est perdu. C'est ça qui est embêtant avec les photons.
Quand vous les détectez, vous ne pouvez pas les réutiliser. Mais chaque fois qu'on va détecter un photon vert, on saura qu'il y a un photon violet qui vient d'être émis et on va faire l'expérience pendant les 10 nanosecondes. Ce n'est pas beaucoup, 10 nanosecondes, 10 milliardèmes de secondes, mais on est rapide.
Enfin, on a de l'électronique rapide. Donc pendant les 10 milliardième de secondes qui suivent... on sait qu'on a un photon violet et un seul.
Et puis, on recommence, on attend le prochain photon vert, ça va arriver au bout d'une microseconde, alors une microseconde, c'est très long, à l'échelle de la nanoseconde, c'est mille fois plus. Prochain photon vert, hop, de nouveau, on ouvre nos détecteurs, on regarde, et puis au bout d'une seconde, on referme, etc. Et donc, on a réussi à isoler des atomes uniques en train d'émettre, non pas dans l'espace, mais dans le temps. sur l'axe des temps, en quelque sorte.
Et grâce à ça, en envoyant ces photons uniques sur une lame semi-réfléchissante, on a observé effectivement que la probabilité de détection en coïncidence était nettement plus petite, vous voyez, 0,2 au lieu de 1, nettement plus petite que le produit P1, P2. Et ce 0,18 s'explique parfaitement avec ce qu'on appelle les bruits d'obscurité des détecteurs, dont nous avons démontré que nous étions capables d'émettre les photons un par un, et cela pour la première fois. Alors évidemment, on est revenu à l'expérience dite expérience de pensée de Feynman, mais cette fois-ci, ce n'était pas une expérience de pensée, c'était une expérience de laboratoire.
Et donc, notre photon unique qu'on avait envoyé sur la lame semi-réfléchissante qui était là, et dont on avait démontré qu'il allait soit d'un côté, soit de l'autre, Car démontrer que la probabilité de coïncidence est nulle, c'est démontrer qu'il va soit d'un côté, soit de l'autre. Je dois associer une onde à ce photon unique. Alors cette onde va être coupée en deux ici.
Et si, avec un jeu de miroir et une deuxième lame semi-réfléchissante bien positionnée, je recombine mes deux ondes, eh bien je vais observer dans les voies de sortie ici un phénomène d'interférence. Ça va se traduire par quoi ? Ça va se traduire par le fait que lorsque cette distance est égale à celle-là, alors la lumière va sortir de ce côté et rien ne sortira de ce côté parce que les deux ondes vont arriver ensemble sur la voie qui sera en haut.
Et puis si je bouge un peu ce miroir pour allonger ce trajet, alors vers le haut, elles vont arriver à une opposition de phase, rien ne sortira ici et tout sortira là. Donc le phénomène d'interférence, je l'observerai en déplaçant un miroir ici et en regardant si je détecte le photon sur ce détecteur. ou sur ce détecteur.
On a fait l'expérience à 1985 et on a observé, sans l'ombre d'un doute, que les taux de comptage ici et là étaient bien modulés sinusoïdalement en fonction de la position du miroir qui est là. Or, je vous rappelle que nous avons travaillé avec une source qui émettait des photons un par un et nous l'avions prouvé. en prouvant que le photon allait soit d'un côté, soit de l'autre.
Et maintenant, nous prouvons que nous avons une onde qui va des deux côtés à la fois. Je vais y revenir. Alors, en 20 ans, 30, la technologie a fait des progrès considérables, et aujourd'hui, c'est devenu assez banal dans les laboratoires de recherche d'avoir des sources capables d'émettre des photons uniques.
Et aujourd'hui, on est effectivement capables... d'isoler un émetteur individuel, une molécule. Alors comment on fait ? Eh bien ici, c'est très simple. On tartine une solution de molécule très diluée sur une lame de microscope.
C'est tellement diluée qu'elles sont bien séparées les unes des autres. Avec un microscope assez sophistiqué qu'on appelle un microscope confocal, on arrive à viser une molécule unique. On envoie un coup de laser dessus. On la porte dans un état excité. Et la malheur......
Une malheureuse molécule ne peut faire qu'une seule chose, c'est émettre un photon et un seul. Elle n'a pas le choix. Et comme ce photon n'a pas exactement la même longueur d'onde, la même couleur que le laser qui est là, on a une lame qui permet de le laisser passer, et hop, le photon arrive ici.
Et là, qu'est-ce qu'on va faire ? Eh bien, on va recommencer à l'embêter. On va d'abord se poser la question, est-ce que c'est vraiment un photon unique ? C'est-à-dire, est-ce que c'est vraiment quelque chose qu'on ne peut détecter qu'une seule fois ? Et alors là, Jean-François Roch et son équipe, à l'école normale de Cachan, ont eu l'idée d'utiliser un biprisme de Fresnel.
Alors un prisme, ça dévie la lumière. Mais le biprisme de Fresnel, c'est deux prismes tête-bêche, si j'ose dire, ou plutôt les pieds face à face. Et donc vous voyez qu'en haut, le prisme dévie la lumière vers le bas. Et en bas, le prisme dévie la lumière vers le haut. Alors si j'ai un faisceau de lumière, qu'est-ce que je vais observer ?
Je vais observer à la fois un faisceau vers le haut et vers le bas. Mais si j'ai un photon unique, le photon unique, soit il va passer en haut et il va arriver sur ce détecteur, soit il va passer en bas et il va arriver sur l'autre détecteur. Donc est-ce que leur source aimait bien des photons uniques ?
Ils ont fait le fameux test avec la formule que nous avions développée en 1985 avec Grangier, et ils ont trouvé... Pourquoi ce n'est pas écrit ? Je n'en sais rien.
Bref, croyez-moi, ils ont trouvé qu'il y a un photon et un seul. Leur alpha vaut 0,13 ou quelque chose comme ça. Donc, il n'y a pas de doute, le photon va soit en haut, soit en bas.
Alors, prochaine étape. Est-ce que ce photon unique est capable d'interférer avec lui-même ? Et pour ça, on revient à Fresnel. La raison pour laquelle Fresnel avait inventé son dispositif, ce n'était pas du tout pour se demander s'il y avait un photon en haut ou en bas. C'est parce qu'à l'intersection des deux faisceaux ici, Fresnel avait démontré qu'on pouvait observer des franges d'interférence.
Donc, qu'est-ce qu'on fait ? On va mettre, alors à l'époque de Fresnel, et à l'époque où je passais à l'agrégation d'ailleurs, On mettait un écran, là, dans les franges d'interférence, et on montrait les franges d'interférence à tout le monde. Mais aujourd'hui, on est très malins, on a des caméras CCD qui sont très sensibles et qui peuvent détecter les photons un par un. Et donc, on met cette caméra, qui est capable de détecter les photons un par un, et on va pouvoir exactement faire l'expérience de Feynman.
C'est-à-dire, on va se poser la question, est-ce qu'il y a des endroits où la propriété... La possibilité de détecter le photon est plus grande qu'à certains autres endroits. Et là, comme maintenant on a des ordinateurs, on a tout grâce à la mécanique quantique, vous vous souviendrez. Donc, on a des ordinateurs, on a tout ça, on a des caméras CCD, on a enregistré le signal vidéo, et je vais donc vous faire revivre une véritable expérience d'interférence à un seul photon. Si ça veut bien, alors ça vient ou pas ?
Voilà, alors maintenant ça va venir deux fois parce que j'ai été trop énervé, j'ai cliqué deux fois. Voilà. OK. Donc ici, qu'est-ce que nous avons ? Nous avons le détecteur qui est allongé ici.
Chaque fois qu'un photon va arriver, on va voir un petit point brillant apparaître ici. Et donc vous allez vous-même voir arriver les photons un par un et encore une fois avec une source dont on a prouvé que les photons sont vraiment émis un par un. Donc allons-y. C'est parti. J'espère qu'il n'y a pas trop de lumière et que vous voyez bien.
Vous voyez les points là ? Oui, oui, voilà. Donc vous voyez les points qui apparaissent, d'accord ? Oui, c'est très bien si on peut baisser un petit peu la lumière.
Voilà. Donc vous voyez les points qui apparaissent. Et qu'est-ce qu'on observe ? Eh bien, il y a clairement des zones où il y en a beaucoup et clairement des zones où il n'y en a pas beaucoup. Et on voit apparaître progressivement ce qu'on appelle des franges d'interférence.
Alors qu'est-ce qu'on a représenté en dessous ? On a représenté la somme de tous les coups qui ont été détectés sur des lignes verticales. Et vous voyez progressivement se construire la figure d'interférence photon unique par photon unique.
Donc vous voyez comment ça se présente là. On laisse aller jusqu'au bout parce que je trouve que c'est tellement magnifique qu'on ne s'en lasse pas. Alors vous pouvez télécharger...
Pour ceux qui... s'il y a des profs qui veulent montrer ça à leurs élèves, vous pouvez télécharger ça sur le site du département de physique de l'École normale supérieure de Cachan. Et voilà.
Donc, qu'est-ce qu'on a fait ici ? On a vraiment observé des franges, photon par photon. C'est l'expérience que Feynman décrivait en 1950, mais que personne n'avait jamais faite, que nous avons faite avec Rangier en 1980, mais on n'avait pas... la possibilité d'enregistrer les signaux à l'époque, et on l'a vu maintenant.
Donc, qu'est-ce qu'on a observé ? On a observé un signal ondulatoire non ambigu, alors que nous avions auparavant prouvé que nous étions dans le régime photon par photon. Et donc, ça va être le moment de se gratter la tête, j'ose pas dire de se prendre la tête, pour se dire la mécanique quantique, et en particulier la dualité en deux particules.
C'est pas juste de dire, comme nous l'a dit Louis de Broglie, la dualité en deux particules, c'est simple, toute particule est une onde, et une onde est une particule. Faut regarder les faits. Les faits, les voilà.
J'ai ici une source qui produit des photons, je les envoie sur une lanse semi-réfléchissante, et j'ai fait une première expérience qui prouve que le photon est allé soit d'un côté, soit de l'autre, mais sûrement pas des deux côtés à la fois. Et avec la même source, avec la même lame semi-réfléchissante, dont vous voyez tout le début est le même ici, j'ai fait une deuxième expérience dans laquelle j'ai observé que ce que je détecte ici ou ce que je détecte là dépend clairement de la différence des deux chemins. C'est donc qu'il y a quelque chose qui est passé des deux côtés à la fois et comme en plus c'est modulé sinusoïdalement, ce quelque chose ne peut être qu'une onde. Donc c'est bien joli de dire dualité onde-particules, mais si vous arrivez... à comprendre comment la même lumière peut, dans le premier cas, se comporter comme des particules qui vont soit d'un côté, soit de l'autre, et dans le deuxième cas, se comporter comme une onde qui se coupe en deux et qui se recombine, c'est que vous avez une capacité d'abstraction qui est peu ordinaire.
Parce qu'en fait, il faut quand même voir qu'on a affaire à des images contradictoires. Alors à ce point-là... Si vous prenez les livres les plus autorisés de mécanique quantique, on sort quoi ?
On sort les tables de la loi. Les tables de la loi ont été écrites par Niels Bohr, le pape de la physique quantique. Et Niels Bohr, chaque fois qu'il y avait une difficulté conceptuelle, il invoquait la complémentarité.
Alors la complémentarité, eh bien, c'est le fait que Bohr, qui était malin, avait repéré que Quand il y avait une contradiction, par exemple ici, en réalité, on ne pouvait pas imaginer faire les deux expériences simultanément. Vous êtes obligé de choisir. Soit vous prenez...
Cet appareillage-là, et dans ce cas-là, ça va se comporter comme une particule qui va soit d'un côté, soit de l'autre. Soit vous prenez le deuxième appareillage, qui entre parenthèses appelle un interféromètre de Max Zender, et avec cet appareillage, votre objet va se comporter comme une onde. Et ce que Bohr disait, c'est que les objets quantiques sont subtils, que ils ont...
une nature très complexe, et que vous pouvez soit les observer d'un côté, soit les observer de l'autre. Quand je dis d'un côté ou de l'autre c'est au sens figuré. Je peux faire un premier type de mesure qui va me révéler un certain nombre de propriétés, ou un deuxième type de mesure qui va me révéler une autre propriété.
Et si ces propriétés ont l'air contradictoires, c'est pas grave, parce que de toute façon, je pourrais pas faire les deux mesures en même temps. C'est ça l'idée de la complémentarité de Bohr. Donc vous voyez, l'idée, Bohr a beaucoup insisté sur le fait que le comportement des objets quantiques dépend du type de mesures qu'on fait dessus, donc dépend finalement du type de questions qu'on lui pose.
Et donc moi qui ai l'esprit assez simple, je me dis, donc je comprends ce qui se passe, le photon quand il arrive ici, il regarde, il dit Ah ! On me demande si je suis une particule. Donc j'endosse mon avis de particule et je vais soit d'un côté, soit de l'autre. Mais quand il arrive là, il dit Ouh là !
Ça, c'est un interféromètre de Max Zender. Et je sais que dans un interféromètre de Max Zender, je dois me comporter comme une onde qui se partage en deux et qui se recombine. Ça a l'air rigolo, mais quand vous lisez Niels Bohr, encore une fois, Niels Bohr insiste sur le fait...
que les propriétés des objets quantiques dépendent de l'appareillage que l'on utilise pour les observer. Donc, si vous enlevez le côté un petit peu anthropomorphique et rigolo du photon qui se pose la question, on n'est pas loin de ça. Donc, on pouvait penser que grâce au dogme de la complémentarité, finalement, cette bizarrerie quantique n'était pas si embêtante que ça, sauf qu'il y a un monsieur très astucieux qui s'appelait John Archibald Wheeler, qui a remarqué qu'après tout, au niveau d'une expérience de pensée, où tout est possible, ou presque, rien ne vous oblige à choisir entre cet appareillage et le deuxième, alors même que le photon est en train de passer sur l'âme semi-réfléchissante.
Parce que, vous voyez, si vous oubliez la partie droite de la figure, les parties gauches sont les mêmes. Donc, imaginez que quand le photon arrive ici, vous avez encore décidé... ni de mettre ceci, ni de mettre cela. Le photon arrive, il dit, Ah ben alors ça, qu'est-ce que je dois faire ? Et l'idée de l'expérience à choix retardée de Wheeler est exactement cette idée.
C'est l'idée qu'on ne décidera entre l'appareillage ondulatoire ou l'appareillage corpusculaire qui nous permet de dire que le photon est passé d'un côté ou de l'autre, on ne décidera qu'après que le photon soit passé là. Alors les gens très savants vont me dire mais attendez, le photon, il a une certaine longueur, etc. Lorsque j'émets un photon par une certaine transition atomique qui a une durée de vie de 5 nanosecondes, je suis certain qu'au bout de 5 nanosecondes, le photon a été émis, et donc, en 5 nanosecondes, la lumière parcourant 1,50 m, eh bien, la longueur du photon associée à cet émetteur ne sera pas plus qu'1,50 m.
Donc vous voyez que si... Je place ça bien au-delà de 1,50 m après la lame qui est là. Je peux effectivement attendre que le photon soit passé et tac, je décide de ce que je fais.
Alors l'idée de Wheeler était même plus avancée que ça, parce que là, ça a l'air difficile, tout cet appareillage, il y a des détecteurs qui sont lourds, arriver à mettre des détecteurs en place en une nanoseconde, ce n'est pas facile. Alors ce qu'il a fait remarquer, Wheeler, c'est qu'en fait on pouvait réaliser l'expérience de la façon suivante. On va faire une petite modification sur la figure du haut. On enlève ça et on remplace par ça. Vous voulez que je ne vous ai pas embrouillé, je reviens en arrière.
Regardez, je suis là, j'ai les deux détecteurs qui sont ici. En fait, je vais rajouter un miroir ici et laisser se croiser les deux rayons. Regardez, je mets un miroir ici et je laisse les deux rayons se croiser.
Ici, ils s'ignorent les deux rayons, ils passent l'un à travers l'autre sans se voir. Et maintenant, vous voyez que c'est toujours le même schéma. Si le photon est venu ici, il va être détecté là, et si le photon est passé en haut, il va être détecté sur le sol.
Mais le gros avantage, c'est que maintenant, vous voyez que ceci ressemble à cela, sauf pour le fait qu'on a rajouté la deuxième lame semi-réfléchissante. Donc pour passer du premier montage au deuxième, il suffit de rajouter ou d'enlever la lame semi-réfléchissante. Donc l'idée de l'expérience de Wheeler, c'est qu'on laisse entrer le photon, on le laisse progresser, et puis une fois qu'il a bien progressé là-dedans, on décide de mettre ou de ne pas mettre la lame semi-réfléchissante.
C'est clair pour tout le monde ? Cette expérience a été faite il y a quelques années à l'école normale de Cachan. Voilà le schéma tel que Wheeler l'avait rêvé. C'est le livre de Wheeler dans lequel il a expliqué ce schéma.
Entre parenthèses, sur la couverture de ce livre, vous avez une photo célèbre d'Einstein et Bohr en train de discuter sur les fondements de la mécanique quantique. Voilà l'idée de Wheeler. Vous voyez le paquet d'ondes.
qui est associé à un photon, il progresse, les deux ondes de LED se sont bien séparées et on ne sait toujours pas ce qu'on va faire. Et puis finalement, au dernier moment, on décidera soit de mettre la lame semi-réfléchissante, soit de ne pas la mettre. Si on met la lame semi-réfléchissante et qu'on observe des interférences, on conclura qu'on est bien passé par les deux côtés à la fois, comme ici.
Si on ne met pas la lame semi-réfléchissante et qu'on observe le photon soit d'un côté soit de l'autre, on sera mis obligé de conclure que non, il n'y avait pas deux paquets d'ondes et de deux côtés, mais qu'il y avait un photon qui était passé d'un côté ou de l'autre. L'expérience a été faite. C'est une superbe expérience.
C'est une collaboration entre l'Institut d'Optique et l'École normale de Cachan. C'est un interféromètre qui fait 50 mètres de long. Vous avez votre source qui émet des photons uniques.
Le photon unique arrive ici. On utilise des polariseurs, c'est un peu technique tout ça. On sépare les deux trajets.
Donc ici, si on a un photon unique, il va décider soit d'aller d'un côté, soit d'aller de l'autre. Si c'est une onde, elle va se couper en deux. Ça se propage sur 50 mètres.
Et puis ici, les deux chemins se croisent. Et on dispose ici d'un système qu'on appelle un modulateur électro-optique qui permet soit de recombiner les deux trajets, soit de ne pas les recombiner. C'est l'équivalent de mettre la lame semi-réfléchissante ou de ne pas la mettre. Donc, si on n'a pas recombiné, le trajet du bas va aboutir dans ce détecteur, le trajet du haut va aboutir dans le deuxième détecteur.
Et si on a recombiné, on a les deux détecteurs qui vont nous dire quel est le résultat de la recombinaison. Alors, le point clé, et le suivant, c'est que le choix ici de mettre le choix de combiner ou de ne pas recombiner est fait par ce qu'on appelle un générateur de nombres aléatoires quantiques, Quantum Random Noise Generator. C'est un mot assez pompeux pour dire que ce générateur de nombres aléatoires, ce n'est pas du tout un ordinateur qui génère des nombres, parce que ça, en fait, on sait que ce n'est pas vraiment aléatoire, ces choses-là.
Là, c'est un système microscopique dont les propriétés sont dues à... à l'aléatoire quantique lui-même, qui génère un bruit, et lorsque ce bruit est positif, disons quand on est au-dessus d'un certain niveau, on va décider de mettre la recombinaison, et lorsqu'on est en dessous du niveau, on ne met pas la recombinaison. Mais le point clé est le suivant, comme on a 50 mètres entre ici et là, la décision de mettre ou de ne pas mettre, de ne pas mettre la recombinaison, de ne pas mettre la lame semi-réfléchissante, est prise à peu près au moment où le photon est au milieu de l'interféromètre, donc bien longtemps après qu'il ait dû choisir entre se partager ou ne pas se partager.
Donc vous imaginez l'expérience, vous détectez des coups ici sur les détecteurs, à chaque fois vous savez si vous aviez mis ou si vous n'aviez pas mis la lame semi-réfléchissante. Et donc, vous allez trier les résultats en deux catégories. Il y a ceux dans lesquels on avait mis la deuxième lame, et il y a ceux dans lesquels on n'avait pas mis.
Alors, quand on avait mis, qu'est-ce qu'on observe ? On observe une superbe figure d'interférence, et les connaisseurs apprécieront, avec un interféromètre de 50 mètres de long, une source qui n'est pas monochromatique, un contraste de 94 c'est un exploit assez unique. Donc ici, nous sommes dans le cas où, au moment où on arrive ici, on a refermé, on a recombiné les trajets et on observe bien des interférences.
On considère les cas où on n'avait pas recombiné les trajets. Et là, il n'y a pas photo. Ici, il n'y a aucune modulation, ni sur un détecteur, ni sur l'autre. On peut aisément mesurer le fameux paramètre qui nous dit qu'on est soit d'un côté, soit de l'autre, mais pas des deux côtés à la fois, et on est bien très nettement inférieur à un, largement inférieur à un.
On s'est aussi amusé à bloquer. Ce trajet est dans ce cas-là, on voit que celui-là n'est jamais activé, donc il y a bien association univoque entre ce trajet et ce détecteur, et ce trajet et ce détecteur. Donc tous ces tests nous disent qu'il n'y a pas de doute, si on ne recombine pas, ça se comporte comme une particule qui va d'un côté ou de l'autre. Et donc, voilà ce qu'on conclut de ces mesures-là.
Et donc, la conclusion me laisse tellement perplexe, et puis mon anglais étant quand même très nettement moins élégant que celui de Wheeler, je vais vous donner une phrase de Wheeler, qui ne connaissait pas les résultats de cette expérience, mais qui disait, si cette expérience donne les résultats prévus par la physique quantique, voilà ce que nous devrons conclure. Donc voilà la phrase de Wheeler. On décide que le photon est venu par un seul chemin ou par les deux chemins seulement alors que le voyage est terminé. Donc le photon décide qu'il est passé des deux côtés à la fois ou qu'il est passé soit d'un côté soit de l'autre alors qu'il a déjà quasiment fini son voyage. C'est ça la bizarrerie quantique de la dualité onde-particules.
Alors, il faut s'arranger avec ça, il faut vivre avec. Alors, qu'est-ce qu'on peut dire ? Eh bien, ce qu'on peut dire, la première chose, c'est que les expériences de cet ordre nous forcent à l'admettre. Qui plus est, j'ai quand même insisté sur le fait que le formalisme de la mécanique quantique, qui est basé sur des concepts aussi étranges que celui-là, c'est le...
C'est le concept central de la physique quantique des 80 premières années, jusqu'à ce qu'on comprenne l'importance de l'intrication. Et c'est ça qui a permis, c'est ce concept, aussi étrange soit-il, qui a permis de comprendre la stabilité de la matière, les propriétés électriques, les propriétés thermiques. J'ai assez insisté sur le fait que ça marchait.
Qui plus est, pour vous rassurer un petit peu, et pour encourager les plus jeunes à bien travailler leur cours de physique quantique, Lorsqu'on étudie le formalisme mathématique de la physique quantique, ce formalisme est suffisamment subtil pour qu'il soit capable de rendre compte, d'une façon unifiée, des résultats des deux expériences. Autrement dit, quand j'essaye de développer des images, je suis obligé de choisir l'image corpusculaire pour la première expérience et de choisir l'image ondulatoire pour la deuxième expérience. Mais si je ne fais qu'écrire des équations, je ne suis pas obligé de choisir entre deux jeux d'équations. Ce sont les mêmes équations qui me décrivent les deux expériences, dont le formalisme quantique est particulièrement puissant et subtil, parce qu'il arrive à décrire les deux choses.
Il n'empêche que la plupart des physiciens, en tout cas beaucoup d'entre eux, et je fais partie de ceux-là, ont besoin d'images pour nourrir leur intuition et pour essayer d'imaginer. de nouvelles situations. Alors certes, il y a un certain nombre de scientifiques qui sont capables d'avoir de l'intuition sur les équations.
Un certain nombre de mathématiciens sont comme ça, encore que je crois qu'il y a beaucoup de mathématiciens qui aussi utilisent les images. Mais je pense que dans le cas des physiciens, ce n'est pas la majorité. La plupart des physiciens ont besoin aussi de mettre des images en correspondance avec le formalisme mathématique.
Or, jusqu'à la fin du XIXe siècle, je vous rappelle que la physique était très développée, à la fin du XIXe siècle quand même, on avait toujours, en correspondance avec le formalisme mathématique, on avait toujours des images qui venaient de notre monde sensible et avec lesquelles on n'avait pas de problème particulier. Il faut savoir qu'en physique quantique, on a un énorme problème avec les images. Les images sont mutuellement contradictoires. On aurait pu penser...
Que la complémentarité de bord était un moyen de résoudre l'apparent problème de la situation, Paradoxe logique, ce que j'ai voulu vous montrer, c'est qu'une interprétation trop naïve de la complémentarité de Bohr, qui est celle qu'on trouve dans la plupart des livres, il faut bien dire, cette interprétation trop naïve de la complémentarité de Bohr ne tient pas la route. Je ne dis pas que Bohr a faux, je dis que la complémentarité de Bohr, c'est beaucoup plus subtil que ce qu'on pourrait penser, du genre c'est l'appareil qui détermine les propriétés du système C'est beaucoup plus subtil que ça. Alors vous allez me dire tout ça, à quoi ça sert, après tout ? la physique quantique, elle marche depuis 80 ans, elle nous a permis d'inventer le laser et le transistor, vous avez un formalisme mathématique qui fonctionne, vous nous cassez les pieds à nous faire perdre notre temps comme ça. Alors il faut que vous sachiez que ces questions conceptuelles sur les fondements de la physique quantique, dont celle dont je viens vous parler aujourd'hui et celle dont on pourrait éventuellement parler une autre fois sur l'intrication, eh bien, ces questions ponctuelles, ont stimulé l'imagination d'un certain nombre de chercheurs qui d'un seul coup se sont dit mais si le monde physique se comporte d'une façon totalement différente de tous les concepts classiques, alors peut-être bien qu'on pourrait utiliser ces concepts quantiques pour une nouvelle façon de traiter et de transmettre l'information.
Et c'est toute l'idée de l'information quantique, de l'ordinateur quantique. et de la cryptographie quantique. Alors je vais vous donner un seul exemple, je ne vais pas parler d'ordinateur quantique, c'est trop compliqué, mais je vais vous donner un seul exemple pour vous faire comprendre que, par exemple, clarifier le concept de photons uniques et du comportement d'un photon unique a conduit au développement de la cryptographie quantique.
Et là, je vais parler du schéma dit Bennett et Brassard 84. C'est peine locomotive pour les amateurs de chemin de fer. C'est Bennett Brassard, 1984. Je vais essayer de vous faire comprendre la différence entre la cryptographie quantique et la cryptographie classique. Tout le monde sait ce qu'est la cryptographie. Ça va, on est dans les temps ?
La cryptographie, j'en ai plus que pour deux minutes. La cryptographie classique, la cryptographie c'est quoi ? C'est l'art d'envoyer des messages qui pourront être compris par votre ami. qui est à l'autre bout, sans que l'affreux espion qui est là, donc Alice est amoureuse de Bob, elle veut lui envoyer des messages, et Eve qui est là, alors pourquoi Eve ? Parce qu'en anglais, un espion, ça s'appelle eavesdropper.
Donc l'affreuse Eve à moustache qui est là, essaye d'espionner le message. Alors vous savez par exemple que sur Internet, la sécurité repose sur le fait que Il y a un codage qui est fait par un nombre extrêmement grand et que pour décoder, il faut savoir comment décomposer ce nombre extrêmement grand en facteurs premiers. Et les ordinateurs les plus puissants du monde mettent un an ou deux ans ou trois ans pour faire cette décomposition. Donc voilà. Donc la cryptographie classique repose sur l'hypothèse implicite que votre adversaire a eu.
Un niveau de développement technologique qui est à peu près le même que le vôtre. Bon, peut-être un tout petit peu plus, mais en tout cas pas mille fois plus développé que le vôtre. De plus, vous êtes obligé d'admettre que votre adversaire ne dispose pas d'un théorème mathématique que vous ignorez.
Par exemple, il y a peut-être des théorèmes mathématiques qui permettraient de factoriser les nombres de façon beaucoup plus efficace qu'on ne sait le faire aujourd'hui. Bref, la cryptographie. classique, encore une fois, repose sur l'idée que vous n'avez pas trop de retard technique ou mathématique par rapport à votre adversaire. En physique quantique, la sécurité repose sur les lois fondamentales de la physique quantique. Alors l'idée du photon unique, ce qui m'a permis de comprendre ce genre d'expérience, c'est qu'à la différence d'une lumière très atténuée, ou comme je l'ai déjà dit plusieurs fois, on a beau l'atténuer beaucoup, Il y a une certaine probabilité d'en avoir deux à la fois.
Et si de temps en temps vous en avez deux à la fois, l'espion astucieux va être capable d'en laisser passer une et d'en prendre une, et il va pouvoir prélever de l'information au passage. Tandis que si vous avez des photons uniques émis un par un, que vous les avez bien comptés au départ, eh bien, si il y a un espion qui en prélève un de temps en temps, celui qui est à l'autre bout va s'apercevoir qu'il en manque. Et il saura qu'il y a un espion sur la ligne. Donc ce sont les lois de la physique quantique qui vont vous permettre de valider le fait qu'il n'y a aucun espion sur la ligne en train de prélever de l'information. ...information de temps en temps.
Alors, je vous ai présenté les choses de façon assez simple. C'est naturellement plus sophistiqué que ça, mais l'idée de base de la cryptographie quantique, elle est là. Et donc la conclusion que je voudrais tirer de tout ça... Alors vous voyez, ça, c'est messieurs Pénet et Brassard, qui sont donc les inventeurs du procédé BB84.
Il y a bien d'autres procédés de cryptographie quantique. Et puis, on s'amuse, Grangier, Roch, etc., s'amusent à jouer avec la cryptographie quantique. Alors, pour conclure, ce que je vous ai raconté ce soir, c'est l'un des deux grands mystères de la physique quantique. Et ce que nous avons développé, ce sont des expériences pour mettre en évidence le caractère irréductiblement...
bizarre de cette dualité onde-particules, de la même façon que d'autres expériences dont vous avez parlé tout à l'heure avaient mis en évidence le caractère encore plus étrange sans doute de l'intrication. Mais ce qui est tout à fait remarquable, c'est que ces discussions qui pouvaient apparaître comme des discussions épistémologiques, philosophiques, sans grande portée pratique, en fait elles ont suffisamment stimulé l'imagination d'autres chercheurs, d'autres ingénieurs, pour qu'à la fin, on développe des applications à partir de questions fondamentales. Et donc, avant de conclure, je voudrais vous présenter les jeunes gens qui ont réalisé l'expérience à choix retardé de Wheeler il y a seulement deux ans. Alors les gens les plus importants, comme d'habitude, c'est les thésards, c'est eux qui font vraiment marcher les manips.
Donc Vincent Jacques. Et puis une demoiselle chinoise qui s'appelle E, vous E ce n'est pas une abréviation. Il y a un prénom chinois qui s'appelle E Donc ça perturbe tout le monde, mais c'est comme ça. E, vous Alors inutile de vous dire que si vous cherchez dans les bases de données les scientifiques qui s'appellent vous et dont le prénom E vous en avez à peu près un million. Donc ce n'est pas facile.
Mais celle-là, on l'a bien identifiée. Donc voilà. Et puis il y a les chefs.
François Tressard, Jean-François Roch. Et puis un petit peu en arrière-plan, il y avait les parrains de l'expérience, Philippe Grangier et votre serviteur, qui avaient fait 25 ans auparavant une expérience qui n'était pas à choix de retarder, mais qui était la première expérience d'interférence à un seul photon. Et la raison pour laquelle j'aime beaucoup présenter cette photo, c'est parce que Philippe Grangier a été mon premier thésard, Jean-François Roch a été le premier thésard de Philippe Grangier. Et Vincent Jacques a été le premier thésard de Jean-François Roch, dont vous voyez que c'est une affaire de famille, ce qui prouve que les familles de physiciens sont vraiment des grandes familles.
Voilà, je vous remercie. Il y a Jacques qui s'en va. Il va revenir ?
J'ai cru que tu partais, parce que j'avais dit du mal des chimistes. Qu'est-ce qu'on fait là ? Vous pouvez boire, vous asseoir.
Pendant ce temps-là, ça va me permettre de dire que cette conférence, que je n'ai pas dit tout à l'heure, est enregistrée grâce à nos amis du CREA de l'Université Rennes 2, que dans quelques temps, vous pourrez la revoir sur le site de l'Espace des Sciences. Il soit que vous voulez faire une petite révision, mais je crois que là, tout le monde a très très bien compris. Vous racontez d'une manière extraordinaire. Voilà. Donc moi, la première question que j'avais envie de vous poser, c'est quand est-ce que vous revenez ?
On prendra rendez-vous. J'ai noté un 3. de photons et qu'on en sade Bose-Einstein. On aura très froid ce jour-là.
Plus sérieusement, on va quand même vous demander, profiter d'avoir devant vous Alain Aspect pour lui poser des questions si vous en éprouvez le besoin. Vous faites signe, on vous donne le micro. Je la voyais se précipiter.
Ah oui, il y a déjà une question. Bonsoir. Est-ce que vous pourriez nous parler un peu plus de l'expérience dite de non-localité ou de non-séparabilité dont vous êtes l'auteur ?
Vous en avez parlé un peu à la fin en parlant de la cryptographie quantique, mais est-ce que vous pourriez développer ce thème ? Et d'autre part, est-ce que vous pourriez nous dire quelles sont les implications philosophiques de cette expérience qui sont très profondes ? Alors, sur les implications philosophiques, je vais sortir mon joker. Je pense qu'il y a vraiment une chose qu'il ne faut pas faire, c'est sortir de son domaine de compétences.
Je ne citerai pas des géologues qui parlent du climat, mais je pense qu'il vaut mieux éviter de sortir de son domaine de compétences, donc je ne me hasarderai pas sur le terrain de la philosophie. J'ai naturellement un amateur. Je sais que ça vous énerve à chaque fois, monsieur.
Que ça vous énerve ou pas, je pense qu'on a tort quand on sort de son domaine de compétence devant un public. J'allais ajouter qu'à titre personnel, j'ai effectivement essayé un petit peu de regarder ce que les philosophes ont à dire là-dessus. On se heurte à un problème majeur qui est que la technicité de la physique quantique est telle que très peu de philosophes... sont capables d'en parler. Et il nous manque un point carré qui avait l'immense avantage que c'était à la fois un grand scientifique et un grand philosophe.
Et donc, je pense qu'on a là un problème majeur. Et personnellement, je n'ai jamais, moi, à l'ASPE, rencontré un texte philosophique qui me permette d'avancer sur la compréhension de ces problèmes au-delà de ce qu'on appelle l'épistémologie naïve et spontanée du physicien. Naturellement que j'ai ma vision du monde, mais c'est une vision épistémologique spontanée et naïve. Je n'ai jamais trouvé un texte philosophique qui me permette d'aller au-delà de ça.
Donc, au risque de vous décevoir, c'est comme ça. Alors, la non-localité liée à l'intrication, non, je ne peux pas en parler, mais en revanche, je peux en parler à propos de... J'ai volontairement choisi ça parce que c'est une vraie conférence grand public ici.
Parce qu'il y a les vraies conférences grand public et les fausses conférences grand public. Les fausses conférences grand public, ce sont des conférences dans lesquelles tout le public a au minimum un doc de science, voire une licence de science, etc. Là, je peux parler de l'intrication.
Je ne dis pas que je ne viendrai pas le faire, mais il faudra quand même que vous préveniez que ça va être un peu hard. Je suis désolé, mais c'est comme ça. Encore une fois, il y a un problème de technicité. Alors ici, je peux quand même vous parler un tout petit peu. Vous ne voulez pas me renvoyer l'image là-haut ?
Je peux quand même vous montrer un tout petit peu un exemple de non-localité quantique qui est beaucoup moins violent ici parce qu'on pourrait se sortir de la non-localité qui est ici. Mais quand même, prenons la figure de Wheeler. On pourrait imaginer, s'il n'y avait pas de problème dans une expérience de pensée... On pourrait imaginer qu'on va introduire un détecteur ici, longtemps après que le paquet d'ondes se soit propagé en deux.
Si vous mettez un détecteur ici, et puis que vous en mettez un de l'autre côté, et si vous détectez un coup ici, vous êtes certain que vous ne le détecterez pas de l'autre côté. Eh bien, il y a une image simple qui est celle que moi j'utilise. Parce que moi, j'utilise des images dans ma tête.
Moi, je suis chercheur. Donc mon métier, c'est d'imaginer des situations nouvelles. Et pour imaginer des situations nouvelles, je commence par développer des images. Cohérentes ou incohérentes, c'est mon problème. À la fin, je ferai un calcul pour voir comment le formalisme se débrouille.
Et donc, une image qui fonctionne très bien ici, c'est la suivante. J'ai un détecteur ici. J'ai les deux paquets d'ondes qui avancent comme ça. Quand ce paquet d'ondes arrive sur le détecteur qui est là, si la détection se fait ici, Alors instantanément, le deuxième paquet qui est très loin est annulé, est mis à zéro.
C'est une forme de non-localité rudimentaire. Vous voyez que la non-localité est déjà à ce niveau-là. Le point, c'est qu'avec une particule unique, il y a des moyens de l'éviter. C'est-à-dire qu'il y a des théories...
à variables cachées, avec champ fantôme, champ pilote, dans lesquelles on a à la fois un champ inobservable, plus la particule qui s'est logée soit d'un côté, soit de l'autre, alors que lorsqu'on a affaire à l'intrication, il n'y a pas d'échappatoire analogue à ça. Mais si on ne veut pas avoir recours à des images comme ça, on voit que le formalisme de la mécanique quantique porte en lui quelque chose de non local déjà. Alors ce qu'il y a de tout à fait remarquable avec... La non-localité quantique, que ce soit ici ou que ce soit dans le cas de l'intrication, c'est que cette non-localité... existe dans les images, existe dans la représentation qu'on peut se faire des choses, mais on ne peut pas l'utiliser d'une façon opérationnelle pour transmettre une information utilisable plus vite que la lumière.
Je le redis parce que la phrase est compliquée. Grosso modo, je ne peux pas appuyer sur un bouton ici et avoir une lampe qui s'allume très loin instantanément. Parce que ce qu'on peut démontrer, c'est que lorsqu'on veut utiliser la non-localité quantique, Il faut toujours réaliser deux opérations. Par exemple, si vous avez lu des choses sur la téléportation quantique, la téléportation quantique comporte deux opérations.
Une première opération basée sur la non-localité liée à l'intrication, dans laquelle il semble vraiment y avoir quelque chose qui se passe de façon instantanée, donc qui viole la causalité relativiste. Mais l'opération ne sera terminée que lorsque vous aurez transmis une deuxième information qui doit passer par un canal classique, par une radio normale, or un canal classique ne va pas plus vite que la lumière. Et il faut l'ensemble des deux opérations, celle qui a l'air, dans le formalisme, instantanée, plus celle qui doit passer par un canal classique pour compléter l'affaire, donc pour l'utiliser vraiment.
vous n'arriverez jamais à l'utiliser en allant plus vite qu'à la lumière. Donc, c'est subtil. Mais encore une fois, j'ai entendu pendant de nombreuses années les gens dire qu'il n'y a pas de problème. Je peux vous dire que ce ne sont pas ces gens-là qui ont inventé les concepts d'ordinateur quantique. Donc, moi, je pense que se poser des questions sur ces choses-là, c'est très fructueux.
Alors une autre question ? Oui, bonsoir. Bonsoir, je vais sans doute poser une question très naïve.
Je reviens à cette vitesse de la lumière, pourquoi est-ce que c'est une constante et pourquoi est-ce qu'on ne peut pas dépasser la vitesse de la lumière ? Alors, ça nous éloigne un peu de notre sujet, mais ce n'est pas grave. D'abord, ceci n'est qu'un postulat.
L'idée d'Einstein, c'est que les grandeurs physiques fondamentales sont les mêmes pour des observateurs qui sont dans divers référentiels. Un référentiel, c'est un système dans lequel je suis, c'est un laboratoire, si vous voulez. L'idée d'Einstein, c'est que les lois de la physique doivent être les mêmes ici, dans un laboratoire que je vais bâtir ici. ou bien pour quelqu'un qui est dans une fusée qui passe extrêmement vite devant moi. Si la vitesse de la lumière est une constante fondamentale, alors elle doit être la même dans tous les systèmes.
Elle doit être la même pour les gens qui sont dans la fusée. Ces gens, comment ils font leurs mesures ? Ils ont une lampe, ils envoient une impulsion lumineuse, ils déclenchent un chronomètre et ils regardent. Combien de temps il faut pour parcourir un mètre ou dix mètres ou ce que vous voulez ?
Que cette expérience soit faite ici ou qu'elle soit faite dans la fusée qui passe devant moi, je dois trouver le même résultat si la vitesse de la lumière est une grandeur fondamentale. Donc Einstein, pour un certain nombre d'arguments, pense que la vitesse de la lumière est une grandeur fondamentale. Il pose donc comme postulat que la vitesse de la lumière est la même dans tous les référentiels et vous pouvez déduire de ça d'une façon logique impeccable et qui n'est pas très difficile, qui est à la portée...
d'étudiants motivés de premier cycle universitaire, je veux dire un bac scientifique, si vous êtes vraiment motivé, on peut vous mener pas à pas pour vous démontrer qu'il suffit d'accepter que la vitesse de la lumière est une grandeur fondamentale, qui est la même dans tous les référentiels, pour que vous vous aperceviez qu'il n'y a pas le choix, il faut abandonner l'idée de temps absolu, il faut avoir la fameuse dilatation, contraction, etc. Alors pourquoi je vous raconte ça ? Parce que votre question me donne l'occasion... d'insister sur la différence fondamentale entre la physique quantique et la relativité. Comme je viens de vous le dire, si vous m'accordez le fait que la vitesse de la lumière est une grandeur fondamentale, et pourquoi pas quand même, après il y a toutes les conséquences qui sont vérifiées, mais si vous m'accordez ça, je peux encore une fois, pas à pas, vous mener à la conclusion que le temps absolu n'existe pas et qu'il y a relativité du temps.
Il n'y a rien de pareil en physique quantique. Je ne connais aucun livre de physique quantique qui vous demande d'admettre quelque chose. pas si choquant que ça, et qui, pas à pas, va vous conduire à accepter le fait qu'on représente des grandeurs physiques par des opérateurs, le fait que j'ai l'équation de Schrödinger, etc.
En physique quantique, vous êtes obligés de prendre les étudiants et de leur dire, vous n'allez pas poser de questions, on va vous dire que désormais, une grandeur physique, c'est représenté par un opérateur auto-adjoint dans un espace de Hilbert, etc. Et taisez-vous... apprenez et ensuite vous verrez que grâce à ça, je suis capable de calculer la façon dont les atomes émettent la lumière, etc. En physique quantique, on est obligé de se plonger dans une façon radicalement nouvelle de décrire la nature. En relativité, ce n'est pas vraiment radicalement nouveau.
Bien sûr, le fait que le temps ne soit pas absolu, c'est un peu choquant. Mais encore une fois, vous pouvez être rassuré par le fait que vous pouvez suivre tout un raisonnement logique. En physique quantique, il n'y a zéro raisonnement logique.
Il y a un coup de génie des gens qui ont trouvé ça. Seulement, ce qui valide tout, c'est le fait que la physique quantique vous permet, je le redis une fois de plus, de comprendre la structure de la matière, etc., mais permet de prédire certaines quantités techniques qu'on appelle le rapport gyromagnétique de l'électron avec 13 chiffres significatifs. Vous voyez ce que ça veut dire, 13 chiffres significatifs ? J'écris 13 chiffres, on fait la mesure.
Et on trouve accord entre le résultat mesuré et ce que cette théorie incroyablement incompréhensible a permis de calculer. Donc c'est tout à fait différent. Voilà, moi j'ai enseigné les deux et je peux vous dire que ça n'a rien à voir d'enseigner la physique quantique et d'enseigner la relativité. Une autre question ?
Si je peux profiter du micro ? Oui, bien sûr, allez-y. J'avais une question, je ne sais pas du tout si c'est un rapport, mais ce que vous dites me fait penser au chat qu'on met dans une boîte, avec du cyanure, le chat de Schrödinger, quelque chose comme ça.
Oui, c'est tout à fait. Est-ce que c'est un rapport ? Est-ce que vous pouvez commenter un peu ?
Oui, c'est un rapport étroit. Quand j'ai mon photon qui est des deux côtés à la fois, il est dans la superposition. entre le cas où le photon est d'un côté et le cas où le photon est de l'autre.
Et puis, au moment où je vais observer, finalement, il va être d'un côté ou il va être de l'autre. Pour le chat de Schrödinger, c'est la même chose. Le chat de Schrödinger, c'est une espèce de parabole, c'est un exemple caricatural pour faire comprendre le caractère bizarre de la mécanique quantique. Normalement, les équations de la physique quantique...
On autorise effectivement à mettre n'importe quel objet dans une superposition de deux états que l'on peut distinguer. Le photon d'un côté ou le photon de l'autre, on sait le distinguer. J'ai des détecteurs.
Un chat vivant et un chat mort, normalement on sait distinguer. On lui tire la queue, s'il vous griffe c'est qu'il est vivant, sinon... Et donc l'idée du chat de Schrödinger, c'est qu'il y a un moment où on va effectuer la mesure et on le trouvera soit vivant, soit mort. Alors, la différence entre le chat de Schrödinger et mon photon unique, c'est que mon photon unique est un objet microscopique. Et un chat à la fois vivant et mort, on n'a jamais observé.
Et ceci pose donc la question d'une éventuelle frontière entre le monde quantique et le monde classique. Pourquoi je dis éventuelle ? Elle peut vous sembler évidente. Moi aussi, elle me semble évidente.
puisqu'on n'a jamais vu de chat à la fois vivant et mort, c'est donc qu'il y a une frontière. Le problème, c'est qu'on n'a pas la moindre idée de l'endroit où il y aurait une frontière. Est-ce que pour cesser d'observer les phénomènes quantiques, il faut avoir 10 électrons, 100 électrons, 1000 électrons, 1 milliard ?
On ne sait pas. D'où un autre intérêt. des recherches qui ont lieu sur l'ordinateur quantique. Les recherches sur l'ordinateur quantique consistent à essayer de construire un objet quantique de plus en plus gros.
Alors on essaie d'intriquer, on en revient à la fameuse intrication, au lieu d'intriquer deux particules, on essaie d'intriquer trois, quatre, cinq. Le record du monde, c'est dix aujourd'hui. Le problème, c'est que pour avoir un véritable ordinateur quantique qui serve à quelque chose, il faudra à peu près l'intriquer un million. Donc vous voyez, sachant qu'on a mis quelques décennies pour en intriquer dix, apparemment on n'est pas arrivé, encore qu'il ne faut jamais sous-estimer la possibilité de rupture. En tout cas, à la vitesse où on est parti, on n'est pas prêt d'arriver.
Alors, c'est très intéressant de se dire, mais voyons, et si à un certain moment on n'arrive plus, c'est-à-dire qu'on n'arrive plus à intriquer davantage de particules, alors on n'aura jamais un ordinateur quantique. Oui, mais à ce moment-là, on aura identifié la fameuse frontière entre le quantique et le classique. Je répète qu'aujourd'hui, on n'a aucune idée de l'endroit où pourrait se situer cette frontière. Ce qui est quand même assez époustouflant.
Alors, peut-être que le problème, c'est qu'on ne réalise pas assez combien la distance est grande entre une particule et le nombre d'avogadros. Le nombre d'avogadros, c'est 10 puissance 23, c'est vraiment beaucoup. Donc il y a une place immense entre quelques objets quantiques, qui est incontestablement un comportement quantique, et puis une molle de quoi que ce soit.
Ça, c'est un nombre macroscopique. La différence est tellement grande que... On est loin d'avoir exploré tout ce monde. Alors si vous entendez parler de méso-physique ou de phénomène méso-scopique, c'est précisément cette zone où peut-être bien qu'on va transiter du monde quantique au monde classique.
Mais personne ne sait où c'est vraiment. Alors une autre question. Bonsoir.
En fait, je me posais une question par rapport au schéma qui est proposé là. Je me dis, si on considère qu'un photon aurait deux sens, comme moi j'ai deux sens, je peux me déplacer et je peux aussi parler. Le photon pourrait bouger, dans ces cas-là, il n'a qu'un seul chemin possible.
Et si en même temps il parle, il émet une onde qui peut, elle, prendre les deux chemins. Dans ces cas-là, vous parliez d'image tout à l'heure, Donc on aurait une sorte d'image qui pourrait correspondre à ce qui pourrait se passer au niveau du photon. Si on considère effectivement que l'un des systèmes qui consiste à utiliser le sens de la vue, l'un des systèmes d'observation qui consiste à utiliser le sens de la vue, on voit effectivement le photon qui passe soit d'un côté soit de l'autre, et sinon on a un système expérimental qui permet d'écouter.
On va effectivement observer des interférences puisque le son aurait pris les deux chemins. Je ne sais pas si jusque là vous suivez l'image. Est-ce que du coup on ne peut pas considérer plutôt que c'est notre système d'observation qui ne permet pas d'observer finalement les deux aspects ondes et corpus tulle simultanément plutôt que de dire que c'est le système d'observation qui fait que derrière, le photon utilise un sens et non pas l'autre.
Parce que moi, en tant qu'humain, si on considère que vous êtes un photon et que vous vous déplacez, que vous parlez, moi, en tant qu'humain, si je suis le système de fervation et que je ferme les yeux, je vais effectivement vous entendre et pas vous voir. C'est pas pour autant que je vais me dire, en tant qu'humain, que vous vous déplacez pas, uniquement parce que je vous entends. Oui, alors...
Je pense qu'il faut distinguer plusieurs choses. Il faut distinguer l'observateur et il faut distinguer l'objet physique, ce que Einstein appelait la réalité physique. Alors il y a des gens, alors on parle de philosophie là, il y a des gens qui pensent que les seules choses qui ont un sens, ce sont les choses qui sont observées. Moi je ne le crois pas. Je pense que si les physiciens sont capables...
de faire des prédictions sur le monde, c'est que le monde existe indépendamment des physiciens. Donc je me refuse à dire que seul a un sens ce qu'on observe. C'est-à-dire que je cherche à attribuer des propriétés aux objets que j'observe.
Et lorsque je vais chercher à observer des propriétés aux objets que j'observe, je vais buter sur ce problème que si ces propriétés, je cherche à les décrire, Par des images issues du monde à trois dimensions, je ne vais pas échapper à la non-localité. Alors, encore une fois, ici, il faut mettre un petit bémol. Dans le cas du photon unique, on peut effectivement, ce n'est pas si loin de ce que vous racontez, imaginer d'une part un champ inobservable qui guide la particule, Et d'autre part, la particule qui est soit d'un côté, soit de l'autre. Et seule la particule est observable.
Donc à ce moment-là, je comprends que si je mets un détecteur, je vais l'observer soit d'un côté, soit de l'autre, mais pas des deux côtés. à la fois, et néanmoins ce champ fantôme qui la guide, c'est la théorie de la double solution de De Broglie, mais Einstein aussi avait travaillé là-dessus, et ce champ fantôme, si on met la deuxième lame semi-réfléchissante, va se recombiner dessus et guider la particule du bon côté pour observer les interférences. Le point, c'est que cette image ne résiste pas aux expériences où on a deux particules intriquées.
Donc on sait qu'il faut l'abandonner de toute façon. Donc, puisque je sais... que je dois abandonner cette image-là, qui est trop simple, alors je me retrouve avec ce que je vous ai raconté tout à l'heure, c'est-à-dire avec une non-localité. C'est-à-dire avec le fait que j'ai maintenant mes deux paquets d'ondes, chacun des deux paquets d'ondes peut activer un détecteur, mais dès l'instant où un détecteur est activé, l'autre est mis à zéro. Moi, j'ai appris à fonctionner avec cette image-là, je trouve que c'est de loin la plus fructueuse.
Vous pouvez me donner un schéma compliqué en mettant 18 lames semi-réfléchissantes et des choses comme ça. Je vais être capable de vous dire voilà ce qui va se passer. Quelquefois je me trompe, mais c'est pas grave, après je fais des calculs pour vérifier. Mais grosso modo, je trouve que cette image fonctionne.
Alors, encore une question ici, puis après il y en aura une jusque dans le fond, Julie, jusque là-haut. Bonsoir, vous avez décrit des expériences à choix retardées avec des particules non massives, les photons. Est-ce qu'il y a eu des particules massives ? Et selon vous, est-ce qu'il y a un enjeu à de telles expériences ?
Après la dualité onde-corpuscule, est-ce qu'il faut vérifier la dualité corpuscule ? Je ne sais pas de quel côté je dois regarder. Ici, monsieur, là, ici. Faites voir.
Ah oui, d'accord. J'aime bien regarder. Alors, c'est une très bonne question.
La mécanique quantique ne fait aucune distinction entre les deux. Alors, premièrement, de telles expériences n'ont pas eu lieu. Je n'ai aucun doute sur le fait qu'elles vont avoir lieu très bientôt, parce qu'aujourd'hui on a des interféromètres à atomes qui sont suffisamment développés pour que je suis à peu près sûr que ça va avoir lieu un de ces jours. La mécanique quantique ne fait aucune distinction. Donc si on croit à la mécanique quantique, on va trouver le même résultat que celui qu'on a trouvé ici.
Néanmoins, il faut bien savoir qu'un des points ouverts Il y a de très nombreux points ouverts en physique aujourd'hui, mais un point important ouvert en physique aujourd'hui, c'est la jonction entre la gravitation et la physique quantique. On ne sait pas vraiment marier l'un avec l'autre et il y a un certain nombre de gens qui pensent qu'il y aura des révolutions conceptuelles à ce niveau-là. Et donc à partir du moment où on croit ça, il n'est pas exclu que mettre un objet massif quelque part puisse modifier les lois quantiques.
Alors la vraie question c'est une masse de combien ? Parce qu'on en revient au nombre d'Abu-Gadro. Donc est-ce que quand je passe d'un photon qui ne pèse rien, mais je vais revenir là-dessus, à un électron qui ne pèse pas grand-chose, ça suffit ?
Est-ce qu'il faut aller à un neutron, à un atome, à un atome d'uranium très lourd, à une molécule, une molécule de fulrène, etc. ? On ne sait pas. Alors, Premièrement, quand je dis qu'un photon ne pèse rien, ce n'est pas vrai. Quand vous regardez ces problèmes-là, vous apercevez que ce qui compte, c'est l'énergie relativiste. L'énergie relativiste, H nu, ou l'énergie relativiste, mc2 d'un atome.
Un photon, c'est l'énergie d'un électron-volt. Un électron, c'est 0,5 mégra-électron-volt. Un nucléon, c'est un giga... Donc, on a un facteur 1000, 1 million entre ces diverses valeurs. Donc, c'est effectivement intéressant de regarder ces choses-là.
Alors, de façon un peu voisine, vous avez mon collègue et ami Anton Zeilinger, à partage de le prix Wolf, qui développe des expériences dans lesquelles il essaie tout simplement de faire des expériences d'interférence, dont des expériences de Trudyung, avec des objets de plus en plus gros. Alors, il a réussi déjà avec des molécules de fulrène, dont des C60 ou des C72, et maintenant, je ne sais plus ce qu'il essaie. Mais ce qu'il dit, c'est qu'il va essayer bientôt des fragments de virus.
Jusqu'à présent, ça interfère. On en revient à la question que je posais tout à l'heure. Où est la frontière entre classique et quantique ?
On ne sait pas. Oui, tu balances des fulrènes sur une double fente et puis tu observes des franges d'interférence derrière. Mais enfin, c'est des tours de force expérimentaux. Mais jusqu'à présent...
Mais c'est une très bonne question. Il y a des gens qui pensent que c'est en mettant des objets massifs qu'on arrivera à trouver la frontière classique quantique. C'est-à-dire que le champ de gravité...
La gravitation liée à ces objets massifs pourrait perturber suffisamment les fonctions d'onde pour, entre guillemets, faire perdre la cohérence. Vous êtes d'accord encore pour deux questions ? Tant que vous voulez. Attendez, ce n'est pas 5 heures du matin. Alors, il y a une question là-bas et puis on viendra vers vous, monsieur.
Jusqu'au fond, jusqu'au fond. Bonsoir. Vous voyez ? Moi j'aurais voulu vous poser une question sur les détecteurs de lumière. Et notamment, j'ai entendu le mot d'imagerie non destructive par rapport aux photons.
c'est des choses qui pourraient vous donner des idées sur des expériences qui complèteraient un peu celles que vous avez présentées mais avec ce côté de pouvoir regarder des photons sans les détruire ou regarder de demi-photons passer dans dans des bras d'interpéromètre ? Oui, tout à fait, c'est une très bonne question. D'abord, les détecteurs de lumière habituels, qui marchent bien, sont basés sur l'effet photoélectrique, Einstein 1905, et consistent à détruire le photon pour émettre un électron.
Cet électron, on l'accélère, on le multiplie et hop, on a un signal qu'on peut observer avec un détecteur électronique. Vous avez entendu parler de mesures non destructives. Alors, La mesure non destructive, c'est extrêmement intéressant.
On peut effectivement voir passer le photon. Alors, techniquement, on est à la limite, mais disons qu'encore un petit effort, on va y arriver. On peut effectivement voir passer un photon unique sans le détruire, en étant certain qu'il est passé. Seulement, la mécanique quantique est subtile.
Ce n'est pas parce que vous ne détruisez pas le photon que vous n'interagissez pas avec lui. En physique quantique, il y a toujours ce qu'on appelle un Hamiltonien d'interaction. Une mesure non destructive, c'est une mesure dans laquelle l'Hamiltonien d'interaction avec l'appareil de mesure est tel qu'il ne perturbe pas l'existence du photon, le nombre de photons. Le nombre était 1 à l'entrée, il continue à être 1 à la sortie.
En revanche, cette interaction va perturber une autre propriété du photon qui est sa phase. Et donc si vous prenez cette expérience-là, si vous mettez ici un système qui est capable d'effectuer une mesure non destructive, et bien certes vous saurez dire que le photon est passé par là, seulement comme vous aurez perturbé la phase de l'onde qui passe ici d'une façon incontrôlée, il n'y aura plus d'interférence à l'arrivée. Donc en réalité le formalisme quantique est ainsi fait, il est extrêmement subtil. Et il est ainsi fait que chaque fois que vous avez une bonne idée comme l'idée que vous venez d'émettre, vous apercevez que le formalisme recèle en lui la capacité à ne pas se laisser piéger. C'est-à-dire que, ici, ce qu'on peut démontrer, c'est que la capacité de savoir par quel côté est passé le photon, c'est une observable qui est incompatible avec...
La différence de phase entre les deux chemins est dont l'aptitude à observer les interférences. Et votre question conduit à quelque chose qui est encore plus subtil que ça, c'est-à-dire à tout observable qui ne commute pas, on peut associer ce qu'on appelle des relations, des inégalités de Heisenberg. Et le monde, lorsqu'on a les relations de Heisenberg, ça consiste à dire que les choses ne sont pas tout ou rien.
Par exemple. ici, avec votre idée de mesure non destructive, vous pouvez imaginer dire que le photon est passé par un côté ou l'autre, mais pas le dire avec certitude, le dire avec un niveau de confiance de 80%, au sein des statistiques. Et à ce moment-là, vous allez vous apercevoir qu'il va subsister des franges d'interférence, mais avec un contraste dégradé. Et vous aurez une relation de Heisenberg entre la...
qualité des interférences et le degré de confiance avec lequel vous pouvez dire que c'est passé d'un côté ou de l'autre. Le point important, c'est de constater que chaque fois qu'on imagine des schémas tels que celui que vous venez d'évoquer pour tenter à la fois de savoir par quel côté est passé le photon et puis de voir les interférences, on s'aperçoit que le formalisme quantique recèle à lui une aptitude remarquable à esquiver les attaques, si j'ose dire. Et encore une fois, je pense que ce serait une grande erreur d'en conclure, circuler, il n'y a rien à voir, l'histoire des 30 dernières années, c'est que poussant jusqu'au bout ces questions, il y a des gens qui ont inventé... quelque chose de nouveau qui s'appelle l'information quantique. Parce que, une chose est de dire, ah ben on n'arrivera jamais à le coincer.
Une autre est de dire, j'ai inventé une situation absolument incroyable et je n'arrive pas à le coincer. Oui, mais alors si je n'arrive pas à le coincer, je peux peut-être utiliser cette propriété incroyable pour en faire quelque chose. C'est ça l'idée de l'information quantique. Monsieur, donnez le micro, merci.
Tout d'abord, un très grand merci pour votre passion pour la recherche fondamentale. C'est très rafraîchissant pour l'esprit. Maintenant, ma question sera la suivante. J'ai de la chance, je suis payé pour ça. Ma question sera la suivante.
Les nanosciences, à quel niveau vous les situez ? Est-ce que c'est déjà de la physique quantique ou on est encore dans la physique classique ? On est juste à la frontière précisément.
Donc les nanosciences, c'est précisément un des endroits où on va peut-être trouver cette fameuse frontière. C'est-à-dire que, par exemple, quand vous essayez de fabriquer des transistors de plus en plus petits, les transistors dont nous disposons aujourd'hui... sont macroscopiques au sens suivant. Certes, j'ai besoin de la mécanique quantique pour comprendre les propriétés de conduction électrique d'un morceau de matière, mais ayant compris cette conduction électrique de ce morceau de matière, ensuite, ce sont des lois classiques de l'électricité que je combine pour faire un transistor.
Mais il n'y a strictement aucun doute que, comme on fait, vous le savez, la miniaturisation, les circuits intégrés de plus en plus petits, il n'y a strictement aucun doute que lorsqu'on va arriver au niveau où on essaye de faire des transistors qui seraient réalisés avec quelques milliers d'atomes, là, on entre en plein dans le domaine quantique, au sens plein du terme. C'est la fameuse physique mésoscopique. Donc, on y arrive en plein.
Merci. Alors, une autre question, là-haut, et on revient vers vous après, monsieur. Bonsoir, monsieur Aspect.
Quelles sont les expériences à venir de métrologie quantique dont vous attendez le plus impatiemment les résultats ? Je voudrais notamment citer une expérience de métrologie dans l'espace qui va être embarquée en 2013, notamment l'horloge atomique Pharao. Je voudrais que vous nous parliez des expériences de métrologie que vous attendez le plus.
Oui, c'est compliqué parce que... Pharao n'est pas de la métrologie quantique. Ce sont des mesures en environnement de microgravité, on est d'accord, par la technique des atomes froids. Certes, bien sûr, on utilise des concepts de physique quantique pour refroidir les atomes, etc. Mais la métrologie quantique, c'est autre chose.
Il existe... Lorsqu'on cherche la limite ultime de la métrologie, par exemple avec la lumière, il existe ce qu'on appelle... Je suis désolé, je vais être obligé d'être un peu technique. Mais comme la question est manifestement technique, je ne peux pas y échapper. Il existe ce qu'on appelle la limite quantique standard.
Et la limite quantique standard, ça consiste à... à utiliser les inégalités de Heisenberg pour une certaine valeur particulière qui est associée aux états de la lumière dont on dispose facilement. C'est-à-dire, je reviens, la lumière est mise par des lampes à ingrédécence, par des lampes à décharge ou par les lasers. Parce que contrairement à ce qu'on pourrait penser, c'est là où les choses sont compliquées.
Il n'y a pas plus classique que la lumière est mise par un laser. Mais même avec les objets classiques, si on cherche... à pousser la précision des mesures jusqu'au bout, il y a un moment où on bute dans les limites quantiques. Et ce qu'on appelle la limite quantique standard, c'est la limite quantique sur laquelle on bute avec un objet très classique comme la lumière laser. Ce qu'on appelle généralement métrologie quantique, c'est une métrologie dans laquelle on va déplacer La façon dont fonctionnent les relations de Heisenberg, alors tout le monde a entendu dire que la relation de Heisenberg me dit que je ne peux pas mesurer la vitesse et la position d'une particule avec une précision infinie.
Ce que j'appelle déplacer, c'est dire ok, j'accepte une très grande incertitude sur la position et ça va me permettre d'améliorer la position. la précision sur la vitesse. Et ce qu'on appelle généralement la métrologie quantique, ça consiste à déplacer la relation de Heisenberg pour aller au-delà du bruit quantique standard, par exemple sur une mesure de phase, au détriment d'une mesure d'intensité, ou vice-versa. Par exemple sur une mesure d'intensité, au détriment de la précision sur la phase. C'est ça qu'on appelle la métrologie quantique.
En ce sens-là, ce n'est pas de la métrologie quantique. Pharao s'est utilisé toutes les ressources de ce qu'on appelle généralement la physique quantique, mais qui est simplement le fait qu'on a su manipuler des objets microscopiques jusqu'à la limite du bruit quantique standard pour faire des mesures en apesanteur qui pourraient donner des résultats intéressants dans le domaine de la gravitation. Ce n'est pas exactement ça qu'on appelle la métrologie quantique.
Alors, si on veut vraiment raffiner, les gens qui utilisent les horloges à atomes froids, dont dans Pharao, sont à la limite de ce qu'on appelle le bruit de projection quantique, qui est la limite quantique standard, et il y a des idées pour battre ça. Mais enfin, avant qu'on aille mettre ça dans un satellite, ce n'est pas arrivé. Parce qu'il faut savoir que quand même, la technologie de l'espace, ce sont toujours des technologies... bien éprouvée sur Terre.
Donc on envisage maintenant d'envoyer des atomes froids dans l'espace parce qu'on a commencé à jouer avec dans les années 1980. Il faut 30 ans pour qu'une avancée technique soit arrivée à un point de fiabilité où on peut le mettre dans l'espace. Or la métrologie quantique en est à ses premiers balbutiements. Merci.
Je voulais cependant vous demander quelles sont les expériences à venir, notamment en physique, physique, physique théorique, quelles sont les expériences que vous, personnellement, dont vous attendez le plus de résultats ? Moi, personnellement, sur ce sur quoi je ne travaille pas moi, j'ai laissé un peu cette histoire d'intrication parce qu'il faut faire plusieurs choses dans sa vie. Moi, je suis absolument fasciné par ces tentatives d'intriquer un nombre de plus en plus grands objets. Je ne pense pas qu'on arrivera à intriquer, je peux me tromper, mais tant pis, ce n'est pas grave.
Je ne pense pas qu'on va arriver à intriquer... Je vous ai dit qu'on a réussi à intriquer 10 ions. Je ne pense pas qu'on va arriver à intriquer un million d'ions comme ça. Par contre, il n'est pas complètement exclu que des systèmes de nanotechnologies dont on parlait, des jonctions Josephson, où là, on les produit par les techniques de la microélectronique.
Si on commence à arriver à intriquer 2, 3, 4, 5 jonctions Josephson... Alors comme les circuits intégrés, on va arriver à... Ensuite, c'est des artefacts, c'est de la production industrielle.
Ensuite, on va arriver à intriquer 1 000, 10 000, 1 million. Moi, c'est ça qui me fascine. Si on arrive à intriquer 1 million d'objets, là, oui, je vais être scotché. Moi, c'est ça qui m'intéresse.
Ça m'intéresse vraiment de savoir si on va buter, identifier une limite claire ou c'est juste à la difficulté technique. Merci. On va prendre une dernière question. Monsieur qui le veut la main. Voilà, tout de suite.
Merci. Selon la théorie de la relativité, le temps et l'espace sont déterminés par la vitesse. Si j'ai bien compris.
Disons qu'il y a une relation entre temps et espace qui est liée à la vitesse de la lumière qui est une constante universelle. Si c'est ça que vous voulez dire, on est d'accord. Un objet qui va à la vitesse de la lumière, qu'en est-il de notion de temps et d'espace pour lui ? Alors, seuls les objets de masse nulle... peuvent aller à la vitesse de la lumière, si on croit à la relativité.
C'est le cas du photon. Et quelle est la question ? Le formalisme est clair pour lui. Quelle est la question ?
Moi, je me pose la question. Ça n'empêche pas le photon d'être à plusieurs endroits en même temps, si la notion de temps et d'espace n'existe pas. Oui, mais le problème, c'est que quand un objet a une masse...
Est-ce qu'on ne crée pas la masse au moment où on le détecte ? Oh non, différent qui est relié au temps propre. Le temps propre, c'est le temps auquel, si j'ose dire, cet objet vit. Si vous mettez une horloge atomique dans un satellite ou dans une fusée, cette horloge atomique... Barre, rythme, mesure le temps avec la définition de la fréquence liée à cette horloge-là.
Et pour tout autre observateur, elle est fausse, cette horloge. Enfin, elle est fausse, il faut faire des corrections. Quand un objet va à la vitesse de la lumière, la notion de temps propre perd en quelque sorte son... Enfin, on est dans un cas limite, quoi.
Mais enfin, il n'y a aucune difficulté avec les équations, pour le coup. Encore une fois, la relativité me semble, moi, beaucoup moins paradoxale que la physique quantique. Voilà, merci. Merci, monsieur. Je crois qu'on va en rester là pour ce soir, en vous remerciant vraiment beaucoup, très chaleureusement.
Merci à vous pour ce magnifique goût que vous montrez pour la science, et félicitations aux gens. ici qui organise de pareils programmes. Merci à vous tous qui venez nous rendre visite. Bonsoir à tous, merci à l'équipe technique, Franck et Élodie qui étaient en régie, merci à ma fidèle collaboratrice Julie et aux autres personnes qui ont travaillé avec nous ce soir et à toute l'équipe du CREA de l'université Rennes 2. Très bonne soirée à tous et n'oubliez pas de venir nous rejoindre la semaine prochaine.
Au revoir.