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  • Photo du rédacteurJC Duval

Beam splitter

Qu'aurait fait Heisenberg ?

Qu'aurait fait Niels Bohr ?

Prendre du champ, réfléchir, marcher dans la campagne, écouter de la musique. Le nouveau ne se produit jamais par intrapolation de l'ancien.

Les particules élémentaires - Houellebecq

 

Lorsqu'un rayon lumineux arrive sur une lame semi-réfléchissante la moitié du rayon traverse la lame et l'autre moitié est réfléchie, le faisceau se coupe en deux.

L'énergie de la lumière incidente se retrouve ainsi répartie à parts égales entre la lumière réfléchie et la lumière transmise. Mais attention, cette vision s'applique à un rayon lumineux et le résultat porte sur l'observation globale des photons transportés par le faisceau.

En moyenne, la répartition des photons est analogue sur chacune des deux sorties.

Si maintenant on étudie les photons un par un, ils ne peuvent pas se couper en deux, la première moitié empruntant une sortie et la deuxième l'autre sortie. Au sens quantique du terme, un photon est un quanta ou paquet d'énergie qui par définition n'est pas sécable. Alors comment se passent les choses ?

Eh bien, si l'on émet les photons les uns après les autres et que l'on place un capteur au niveau de chaque sortie, on a une chance sur deux et ce de manière complètement aléatoire, d'intercepter le photon sur l'un des deux détecteurs. L'observation est bien en phase avec celle de notre rayon lumineux, il y a en moyenne autant de photons détectés sur chacune des deux sorties.

Au premier abord et même s'il est autorisé de se demander comment, il semble donc assez naturel de se dire que c'est au moment où le photon arrive sur la lame qu'il choisit une sortie pour délaisser l'autre, le détecteur ne faisant que révéler le chemin par où il est passé.

 

Drôle d'expérience


Cependant, les physiciens ont souvent de drôles d'idées et montent parfois des expériences plus qu'étonnantes, en l'occurence ils se sont amusés à relier les deux sorties pour examiner ce qui se passait.

En tout logique, si le photon passe par une branche, on s'attend à ce qu'il ne soit pas perturbé par l'autre branche, celle qu'il n'a pas empruntée. Les deux branches ne doivent pas interférer.

Mais aussi surprenant que cela puisse paraitre, nos physiciens ont constaté des interférences 📡 ce qui veut dire qu'un signal est envoyé sur les deux branches ⎌

La branche1 et la branche2 interfèrent

 

Explication


Seule une approche quantique est en mesure d'expliquer le phénomène 👉

A la sortie de la lame, l'état du photon est une combinaison de 2 états, états propres aux 2 chemins permettant au photon de rejoindre l'observateur.


Lorsque le photon se situe entre la lame et l'observateur, son état est le suivant :

1/√2 (⎮Branche1> ⊗ ⎮pas-Branche2>)

+

1/√2 (⎮pas-Branche1> ⊗ ⎮Branche2>)


1/√2⎮Branche1> + 1/√2⎮Branche2>


L'état du photon est un état combiné et si on prend une mesure, la probabilité d'observer qu'il a emprunté une des deux branches est, conformément à la règle de Born, égale à (1/√2)² soit 1/2. Eh oui, même si l'évolution de l'état du photon est tout ce qu'il y a de plus déterministe, son observation est quant à elle probabiliste.*

L'observateur percoit que le photon est passé par un seul et unique chemin, soit l'un soit l'autre, la mesure semblant forcer l'état du photon à l'état propre correspondant à cette observation.

Avec un beam splitter, la probabilité d'observer que le photon a emprunté la branche1 plutôt que la branche2 ou vice-versa, est de 50%


Bien que contre-intuitif, il s'avère donc que le choix de la sortie n'est pas arrêté au moment où le photon arrive sur la lame, mais seulement au moment où il est observé. C'est au moment de la mesure qu'il se manifeste réellement, arrêtant par la même occasion le chemin qu'il a emprunté.


* En fonction de la lame, les probabilités d'observer le photon sur un chemin plutôt que sur l'autre peuvent être différentes. La lame peut être plus ou moins réfléchissante.

 

Schéma d'un interféromètre de Mach-Zehnder


La mesure en quantique

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