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Famous double-slit experiment holds up when stripped to its quantum essentials

by Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology

edited by Lisa Lock, reviewed b

aLa célèbre expérience de la double fente tient la route même réduite à ses fondamentaux quantiques

Par Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology

Édité par Lisa Lock, relu par Robert Egan

Notes de la rédaction

Légende : Schéma de l’expérience du MIT : Deux atomes isolés flottant dans une chambre à vide sont éclairés par un faisceau laser et agissent comme les deux fentes. L’interférence de la lumière diffusée est enregistrée par une caméra ultra-sensible représentée comme un écran. Une lumière incohérente apparaît en arrière-plan, ce qui suggère que le photon a agi comme une particule ne traversant qu’une seule fente. Crédit : Massachusetts Institute of Technology

Des physiciens du MIT ont réalisé une version idéalisée de l’une des expériences les plus célèbres de la physique quantique. Leurs résultats démontrent, avec une précision atomique, la nature duelle et pourtant évasive de la lumière. Ils confirment également qu’Albert Einstein avait tort sur ce scénario quantique particulier.

L’expérience en question est l’expérience de la double fente, réalisée pour la première fois en 1801 par le savant britannique Thomas Young pour montrer le comportement ondulatoire de la lumière. Aujourd'hui, grâce à la formulation de la mécanique quantique, l'expérience de la double fente est connue pour sa démonstration étonnamment simple d'une réalité déroutante : la lumière existe à la fois sous forme de particule et d'onde.

Plus étrange encore, cette dualité ne peut être observée simultanément. Voir la lumière sous forme de particules occulte instantanément sa nature ondulatoire, et inversement.

L'expérience originale consistait à projeter un faisceau lumineux à travers deux fentes parallèles d'un écran et à observer le motif qui se formait sur un second écran, plus éloigné. On pourrait s'attendre à voir deux points lumineux se chevaucher, ce qui impliquerait que la lumière existe sous forme de particules, autrement dit de photons, comme des billes de peinture suivant une trajectoire directe.

Mais au lieu de cela, la lumière produit une alternance de bandes claires et sombres sur l'écran, formant un motif d'interférence similaire à celui qui se produit lorsque deux ondulations se rencontrent dans un étang. Cela suggère que la lumière se comporte comme une onde. Plus étrange encore, lorsqu'on tente de mesurer la fente traversée par la lumière, celle-ci se comporte soudainement comme des particules et le motif d'interférence disparaît.

L'expérience de la double fente est aujourd'hui enseignée dans la plupart des cours de physique au lycée. Elle permet d'illustrer simplement le principe fondamental de la mécanique quantique : tous les objets physiques, y compris la lumière, sont à la fois des particules et des ondes.

Il y a près d'un siècle, cette expérience était au cœur d'un débat amical entre les physiciens Albert Einstein et Niels Bohr. En 1927, Einstein avançait qu'un photon devrait traverser une seule des deux fentes et, ce faisant, générer une légère force sur cette fente, comme un oiseau qui fait bruisser une feuille en volant.

Il suggéra qu'il était possible de détecter une telle force tout en observant une figure d'interférence, capturant ainsi simultanément la nature particulaire et ondulatoire de la lumière. En réponse, Bohr appliqua le principe d'incertitude de la mécanique quantique et démontra que la détection de la trajectoire du photon effacerait la figure d'interférence.

Depuis, les scientifiques ont réalisé plusieurs versions de l'expérience de la double fente, qui ont toutes, à des degrés divers, confirmé la validité de la théorie quantique formulée par Bohr. Des physiciens du MIT ont réalisé la version la plus « idéalisée » de l'expérience à double fente à ce jour. Leur version réduit l'expérience à ses principes quantiques essentiels. Ils ont utilisé des atomes individuels comme fentes et des faisceaux lumineux faibles, de sorte que chaque atome diffuse au plus un photon.

En préparant les atomes dans différents états quantiques, ils ont pu modifier les informations qu'ils obtenaient sur la trajectoire des photons. Les chercheurs ont ainsi confirmé les prédictions de la théorie quantique : plus on obtenait d'informations sur la trajectoire (c'est-à-dire la nature des particules) de la lumière, plus la visibilité de la figure d'interférence était faible.

Ils ont démontré l'erreur d'Einstein. Chaque fois qu'un atome est « frémi » par le passage d'un photon, l'interférence ondulatoire diminue.

« Einstein et Bohr n'auraient jamais imaginé qu'il soit possible de réaliser une telle expérience avec des atomes et des photons isolés », explique Wolfgang Ketterle, professeur de physique John D. MacArthur et responsable de l'équipe du MIT. « Ce que nous avons fait est une expérience de Gedanken idéalisée. »

Le groupe a estimé qu'avec ce dispositif, ils pourraient projeter un faible faisceau lumineux à travers les atomes et observer comment un photon unique se diffuse sur deux atomes adjacents, sous forme d'onde ou de particule. Cela serait similaire à la façon dont, dans l'expérience originale de la double fente, la lumière traverse deux fentes.

« Ce que nous avons réalisé peut être considéré comme une nouvelle variante de l'expérience de la double fente », explique Ketterle. « Ces atomes uniques sont comme les plus petites fentes possibles.»

Flou de réglage

Travailler à l'échelle de photons uniques a nécessité de répéter l'expérience plusieurs fois et d'utiliser un détecteur ultrasensible pour enregistrer le motif de lumière diffusée par les atomes. À partir de l'intensité de la lumière détectée, les chercheurs ont pu directement déduire si la lumière se comportait comme une particule ou une onde.

Ils étaient particulièrement intéressés par le cas où la moitié des photons envoyés se comportaient comme des ondes et l'autre moitié comme des particules. Ils y sont parvenus en utilisant une méthode permettant d'ajuster la probabilité qu'un photon apparaisse comme une onde plutôt que comme une particule, en ajustant le flou d'un atome, ou la certitude de sa localisation.

Dans leur expérience, chacun des 10 000 atomes est maintenu en place par une lumière laser, réglable pour resserrer ou desserrer l'emprise de la lumière. Plus un atome est maintenu de manière lâche, plus il apparaît flou, ou plus il est « spatialement étendu ».

L'atome le plus flou bruisse plus facilement et enregistre la trajectoire du photon. Par conséquent, en ajustant le flou d'un atome, les chercheurs peuvent augmenter la probabilité qu'un photon présente un comportement particulaire. Leurs observations concordent parfaitement avec la description théorique.

Saut de flamme

Dans leur expérience, le groupe a testé l'idée d'Einstein sur la détection de la trajectoire du photon. Conceptuellement, si chaque fente était découpée dans une feuille de papier extrêmement fine suspendue en l'air par un ressort, un photon traversant une fente devrait secouer le ressort correspondant d'un certain degré, ce qui constituerait un signal de la nature particulaire du photon.

Dans les précédentes réalisations de l'expérience de la double fente, les physiciens ont incorporé un tel ingrédient, semblable à un ressort, et ce ressort a joué un rôle majeur dans la description de la nature duale du photon.

Mais Ketterle et ses collègues ont pu réaliser l'expérience sans les fameux ressorts. Le nuage d'atomes de l'équipe est initialement maintenu en place par la lumière laser, à l'instar de la conception d'Einstein d'une fente suspendue par un ressort.

Les chercheurs ont estimé que s'ils supprimaient leur « ressort » et observaient exactement le même phénomène, cela montrerait que le ressort n'a aucun effet sur la dualité onde/particule d'un photon.

C'est également ce qu'ils ont découvert. Au cours de plusieurs essais, ils ont désactivé le laser à ressort maintenant les atomes en place, puis ont rapidement pris une mesure en un millionième de seconde, avant que les atomes ne deviennent plus flous et finissent par retomber sous l'effet de la gravité. Durant ce laps de temps infime, les atomes flottaient effectivement dans l'espace. Dans ce scénario sans ressort, l'équipe a observé le même phénomène : la nature ondulatoire et particulaire d'un photon ne pouvait être observée simultanément.

« Dans de nombreuses descriptions, les ressorts jouent un rôle majeur. Mais nous démontrons que non, les ressorts n'ont pas d'importance ici ; seul le flou des atomes compte », explique Fedoseev. « Il est donc nécessaire d'utiliser une description plus approfondie, qui utilise les corrélations quantiques entre photons et atomes.»

Les chercheurs soulignent que l'année 2025 a été déclarée par les Nations Unies Année internationale des sciences et technologies quantiques, célébrant ainsi la formulation de la mécanique quantique il y a 100 ans. La discussion entre Bohr et Einstein au sujet de l'expérience de la double fente n'a eu lieu que deux ans plus tard.

« C’est une merveilleuse coïncidence que nous puissions contribuer à clarifier cette controverse historique la même année où nous célébrons la physique quantique », déclare le co-auteur Lee.

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RESUME

La célèbre expérience de la double fente tient la route lorsqu'elle est réduite à ses éléments quantiques essentiels.

Des physiciens du MIT ont réalisé une version idéalisée de l'une des expériences les plus célèbres de la physique quantique. Leurs résultats démontrent, avec une précision atomique, la nature à la fois double et fuyante de la lumière. Ils confirment également qu'Albert Einstein s'était trompé sur ce scénario quantique particulier.

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COMMENTAIRES

 Article magnifique! j'ai appris lewperience  en 51  sous les auspices du professeur   THIBAUD   à  Lyon 

  

Que disait Richard Feynman à propos de l'expérience de la double fente ?

L'expérience de la double fente (et ses variantes) est devenue un classique pour sa clarté dans l'expression des énigmes centrales de la mécanique quantique. Richard Feynman la qualifiait de « phénomène impossible à expliquer de manière classique, et qui porte en lui le cœur de la mécanique quantique ».

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More information: Vitaly Fedoseev et al, Coherent and Incoherent Light Scattering by Single-Atom Wave Packets, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/zwhd-1k2t. On arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2410.19671

Journal information: Physical Review Letters  , arXiv 

Provided by Massachusetts Institute of Technology