OPTIQUE QUANTIQUE - UN SEUL PHOTON

PRÉSENTATION:
Pendant longtemps, on a pensé que la lumière pouvait être entièrement décrite comme une onde électromagnétique classique obéissant aux équations de Maxwell. Cependant, au cours des dernières décennies, il est devenu possible de produire de nouveaux états de la lumière avec des propriétés sans précédent, impossibles à comprendre dans le contexte de l'électromagnétisme classique, et exigeant l'utilisation du formalisme de l'optique quantique. Ce cours présentera de nombreux outils de base du formalisme de l'optique quantique, et les utilisera pour décrire un exemple emblématique d'états de lumière entièrement quantiques : les paquets d'ondes à un photon. Ces outils seront également utilisés dans le cadre du suivi de ce cours, qui présentera les paires de photons enchevêtrées, les états comprimés de la lumière, l'interaction de la lumière quantifiée avec la matière et leurs applications aux technologies quantiques. Comportez-vous à la fois comme une onde et une particule, et/ou comment l'utiliser dans les technologies quantiques, embarquez avec nous !

À PROPOS DU COURS

Pour obtenir le formalisme de l'optique quantique, il faut partir des équations classiques de Maxwell, et les quantifier. On peut ensuite utiliser le formalisme général de la mécanique quantique, avec quelques adaptations. Pour pouvoir bénéficier du cours, il est donc nécessaire d'avoir des connaissances en électromagnétisme classique et en mécanique quantique standard. Le cours peut alors être considéré comme un cours avancé de premier cycle.

Les phénomènes d'optique quantique sont fascinants, et le thème central de ce cours, la dualité onde-particule pour une seule particule (ici un seul photon) a été déclaré par Richard Feynman "le grand mystère" de la mécanique quantique, dans ses célèbres Lectures de physique (volume III, chapitre 1). Le grand physicien a ensuite ajouté : "Nous ne pouvons pas faire disparaître le mystère en "expliquant" comment il fonctionne. Nous allons simplement vous dire comment il fonctionne". C'est l'un des objectifs de ce MOOC, vous aider à mieux comprendre l'optique quantique en apprenant comment elle fonctionne.

Mais il y a un autre grand intérêt pour l'optique quantique. Il s'avère que l'optique quantique est l'une des composantes clés des technologies quantiques, qui sont le résultat de la deuxième révolution quantique en cours. Les sources à un photon jouent un rôle très important dans ces technologies quantiques.

Si vous voulez comprendre ce qu'est un photon, comment il peut se comporter à la fois comme une onde et comme une particule, et/ou comment l'utiliser dans les technologies quantiques, embarquez avec nous !

PROGRAMME DU COURS

Semaine 1 : Quantification du rayonnement libre monomode
Quantification canonique
Oscillateur harmonique matériel
Rayonnement monomode
Quantification canonique d'un mode
Observables
Nombre d'états, photon
Fluctuations du vide
Devoir 1 : quantification d'une onde stationnaire dans une cavité
Semaine 2 : Un photon unique monomode : comportement particulaire
Le modèle semi-classique de l'optique
Un photon unique monomode
Signaux de photo-détection
Un seul signal de photo-détection pour un photon
Double signal de photo-détection pour un photon : un comportement entièrement quantique
L'optique quantique : un must
Devoir 2 : Les "états cohérents" de la lumière
Semaine 3 : Interférence pour un photon unique : la dualité onde-particule
Lame semi-réfléchissante en optique quantique
Un photon sur un séparateur de faisceau
Interféromètre Mach-Zehnder en optique classique
Interférence d'un photon unique
La dualité onde-particule : un mystère quantique ; un formalisme cohérent
Devoir 3 : Transformation de l'état du champ sur une lame semi-réfléchissante
Semaine 4 : Le rayonnement multimode quantifié : l'optique quantique dans un vrai laboratoire
Quantification canonique du rayonnement multimode
Les États propres de l'Hamiltonien ; l'énergie du vide
Nombre total de photons
Moment linéaire et angulaire d'un photon
Observables sur le terrain ; fluctuations du vide
Signaux de photo-détection
Devoir 4 : États du champ de rayonnement multimodal : état localisé d'un photon unique
Semaine 5 : Les sources à photons uniques dans le monde réel
Formalisme de Heisenberg ; signaux de détection de photons
Paquet d'ondes à un photon
Photon d'émission spontanée
Un détour par la transformée de Fourier
De vraies sources à un photon
Des sources à un photon pour quoi faire ?
Devoir 5 : Génération de paires de photons par conversion paramétrique
Semaine 6 : La dualité onde-particule pour un photon unique dans le monde réel
Anti-corrélation sur une lame semi-réfléchissante
Expériences d'anticorrélation
Photons parasites
L'interférence à un photon : le formalisme
Interférence d'un photon : expériences
Dualité et complémentarité onde-particule
Un mystère fécond
Devoir 6 : Limite de bruit de bruit de grenaille en interférométrie
Semaine 7 : Les technologies quantiques basées sur les photons uniques
Générateur quantique de nombres aléatoires (QRNG)
Impulsions lumineuses faibles sur un séparateur de faisceau
La polarisation de photon : un qubit
Cryptographie quantique : la méthode BB84
Le théorème de non-clonage
Conclusion et perspectives
LECTURES SUGGÉRÉES

Les cours sont autonomes, mais les apprenants trouveront des informations complémentaires utiles dans le livre suivant : G. Grynberg, Alain Aspect et Claude Fabre : Introduction to quantum optics, Cambridge University Press (2010). LIEN : https://www.cambridge.org/fr/academic/subjects/physics/optics-optoelect…