New quantum optics theory proposes that classical interference arises from bright and dark states of light
Une nouvelle théorie de l'optique quantique suggère que l'interférence classique résulte des états lumineux clairs et sombres.
Par Ingrid Fadelli, Phys.org
Interférence à double fente. Les photons arrivent partout sur l'écran, mais dans les régions claires/sombres, dans un état quantique clair/sombre, respectivement, qui peut/ne peut pas exciter l'atome utilisé pour surveiller le motif d'interférence. Crédit : Villas-Boas et al.
Les théories de la physique classique suggèrent que lorsque deux ou plusieurs ondes électromagnétiques interfèrent de manière destructive (c'est-à-dire que leurs champs électriques s'annulent), elles ne peuvent interagir avec la matière. En revanche, la théorie de la mécanique quantique suggère que les particules lumineuses continuent d'interagir avec d'autres matières même lorsque leur champ électrique moyen est nul.
Des chercheurs de l'Université fédérale de São Carlos, de l'ETH Zurich et de l'Institut Max Planck d'optique quantique ont récemment mené une étude explorant ce contraste entre les théories de la mécanique classique et quantique à travers le prisme de l'optique quantique, domaine d'étude explorant les interactions entre la lumière et la matière à l'échelle quantique. Leur article, publié dans Physical Review Letters, suggère que l'interférence classique résulte d'états binomiaux bimodaux spécifiques, qui sont des états lumineux intriqués collectifs, brillants et sombres.
« Après une collaboration fructueuse et de longue date sur les sujets d'électrodynamique quantique en cavité avec le premier auteur, Celso J. Villas-Boas, nous avons échangé de nombreuses idées pertinentes sur le sujet traité pendant plusieurs années environ », a déclaré Gerhard Rempe, auteur principal de l'article, à Phys.org.
« Inspiré par mes expériences d'information quantique avec un atome couplé à deux cavités optiques et des photons uniques entrant et sortant des cavités, il s'est demandé ce qui se passerait si l'atome était exposé à deux champs lumineux superposés de zéro et d'un photon. Il a décrit la situation en termes d'états lumineux brillants et sombres, un concept qui se rapproche des états atomiques brillants et sombres de Dicke des années 1950. »
Dans le scénario envisagé par Villas-Boas, les deux atomes (ou plus) décrits par Dicke dans ses travaux sont remplacés par deux modes optiques (ou plus) contenant zéro ou un photon. Dans ce contexte, les termes « lumineux » et « sombre » impliquent qu'un atome à l'état fondamental peut être excité ou non (en raison d'amplitudes d'excitation interférant de manière destructive).
« En réponse à cette image, j'ai comparé la situation à celle de deux états lumineux cohérents qui interfèrent de manière destructive et ne peuvent donc pas exciter l'atome à la position d'un nœud de champ (où l'intensité est nulle) », explique Rempe. « Ma comparaison entre les champs lumineux quantiques et classiques nous a littéralement forcés à réfléchir à la relation entre l'interférence classique avec des maxima/minima d'intensité et les états lumineux clairs/sombres quantiques.»
S'appuyant sur les idées discutées avec Rempe, Villas-Boas a analysé théoriquement l'expérience de la double fente en utilisant à la fois des états monophotoniques (quantiques) et cohérents (quasi classiques). Ses analyses ont montré que les figures d'interférence observées expérimentalement, maxima et minima, pouvaient en réalité s'expliquer par des états lumineux brillants (détectables) et sombres (indétectables).
« De nombreuses discussions, parfois controversées, entre nous ont ensuite conduit à une toute nouvelle théorie des interférences, utilisant des particules plutôt que des champs », a déclaré Rempe. « Par exemple, un champ lumineux stationnaire classique (composé de deux ondes lumineuses se propageant en sens inverse) avec des maxima et des minima d'intensité périodiques est désormais décrit comme une succession alternée d'états lumineux et sombres de photons, respectivement.»
Une caractéristique notable des états sombres est qu'ils contiennent des photons. Le nouveau cadre théorique présenté par les chercheurs suggère que ces photons sont présents aux nœuds d'une figure d'interférence. Cependant, comme l'état auquel ils sont associés est sombre, ces photons étaient supposés inobservables par les méthodes expérimentales conventionnelles.
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« Cette image est très contre-intuitive et nous a initialement fait douter de l'exactitude de notre description », a expliqué Rempe. « Cette hypothèse est venue d'une expérience que j'ai menée dans mon groupe à la fin des années 1990, concernant le rôle d'un observateur de trajectoire dans les expériences à double fente.
« Comme cela avait été controversé à l'époque, l'observation de la trajectoire (d'une particule à travers la double fente) peut être si douce qu'elle n'exerce pas de sursaut d'impulsion sur la particule interférente. » Cela soulève la question, jusqu'ici ouverte, de savoir comment l'observation peut faire passer la particule d'une région brillante à une région sombre afin d'éliminer le motif d'interférence.
La nouvelle approche théorique présentée par les chercheurs fournit une explication alternative, fondée sur l'optique quantique, de l'interférence classique. Plus précisément, elle suggère que la détection du chemin d'observation modifie l'état des régions sombres en un état brillant. Autrement dit, sans nécessairement modifier la trajectoire d'une particule, un observateur du chemin d'observation peut modifier son état de manière à la rendre détectable.
« À mon humble avis, notre description est pertinente, car elle fournit une image quantique (avec particules) de l'interférence classique (avec ondes) : les maxima et les minima résultent d'états de particules intriqués brillants (qui se couplent) et sombres (qui ne se couplent pas) », a déclaré Rempe. « Je dirais que notre image résout certains aspects (tels que la détection du chemin) d'un vieux débat impliquant certains des plus grands esprits, tels que Newton (particules), Maxwell (ondes), Einstein (particules), Millikan (ondes) et bien d'autres. »
L'étude récente de Rempe, Villas-Boas et leurs collègues établit une nouvelle vision de l'interférence classique des ondes, qui décrit les maxima et minima d'intensité en termes de superpositions quantiques intriquées de particules brillantes/sombres. Si les chercheurs savaient déjà que les équations classiques de Maxwell ne permettent pas de décrire de nombreux phénomènes d'optique quantique, la nouvelle théorie de l'équipe offre une description plus générale de l'interférence.
« D'une certaine manière, nous avons montré que les équations de Maxwell constituent un cas limite de la mécanique quantique », a déclaré Rempe. Rempe. « Ceci est obtenu en intégrant deux effets au modèle. Premièrement, le détecteur surveillant la figure d'interférence et son couplage à la lumière est traité de manière entièrement quantique. Deuxièmement, l'interférence est décrite comme résultant d'états de particules intriquées.
« Ces états sont brillants ou sombres (ou entre les deux), selon qu'ils sont couplés ou non au détecteur. L'état sombre se caractérise par la présence de particules, mais celles-ci restent inobservables pour le détecteur choisi. »
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs pourraient bientôt inspirer d'autres études visant à développer leur nouvelle théorie, qui décrit les phénomènes d'interférence en termes de particules plutôt que d'ondes. Le cadre proposé pourrait faire progresser la compréhension actuelle de l'interférence classique, tout en orientant potentiellement les futurs travaux expérimentaux.
« Dans cette étude, nous avons spécifiquement étudié le cas des particules légères observées par un atome à deux niveaux dans son état fondamental », a ajouté Rempe. « Je pense qu'il serait également intéressant d'explorer le cas des particules matérielles observées par tout autre détecteur approprié, tel qu'un dispositif d'ionisation ou un simple dépôt sur une surface.
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RESUME
Une nouvelle théorie de l'optique quantique suggère que l'interférence classique résulte des états lumineux clairs et sombres.
Les théories de la physique classique suggèrent que lorsque deux ou plusieurs ondes électromagnétiques interfèrent de manière destructive (c'est-à-dire que leurs champs électriques s'annulent), elles ne peuvent interagir avec la matière. En revanche, la théorie de la mécanique quantique suggère que les particules lumineuses continuent d'interagir avec d'autres matières même lorsque leur champ électrique moyen est nul.
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COMMENTAIRES
Ces résultats m'interpellent et jeneles comprend pas complètement malgré ma lecture de la publication originale dont je ne peux vous donner la figure complète
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More information: Celso J. Villas-Boas et al, Bright and Dark States of Light: The Quantum Origin of Classical Interference, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.133603. On arXiv: arxiv.org/html/2112.05512v2
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
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