Etats virtuels en optique non linéaire

[Shagohod27]

Bonjour,

Je m'intéresse à la génération d'états quantiques particuliers tels que la lumière squeezée.
Je cherche plus précisément à comprendre ce qui se passe au sein d'un cristal non linéaire pour permettre la production d'une paire de photons corrélés. J'ai lu beaucoup d'articles/sites/wiki etc. Mais la plupart passent rapidement sur les détails et se contentent d'un "un photon est converti en 2 photons de plus basses énergies", ce qui est loin de me satisfaire en terme d'explication.
En creusant un peu je suis tombé sur les états virtuels, en temps normal la désexcitation d'un atome se fait selon des états quantifiés bien connu, comme l'exemple d'un laser où l'on "pompe" pour passer d'un état E1 à E2 puis par stimulation par un photon externe on repasse à E1 en émettant un photon d'énergie E2-E1. Cependant si l'on balance beaucoup de puissance et donc de photons au sein d'un cristal non linéaire, un état E2 peut passer à un état E1 en passant par un état intermédiaire Ei virtuel et donc émettre 2 photons d'énergies E2-Ei et Ei-E1. Ces photons ont en plus dans certaines conditions la propriété d'êtres corrélés.

Ma question est la suivante : pourquoi l'existence de cet état virtuel nécessite un milieu non linéaire (comme un cristal KTP par exemple) ?

Je sais que l'état virtuel doit respecter la relation de Heisenberg et que donc la durée d'existence de cet état est très courte de l'ordre de la femto-seconde. Si je devais deviner je dirais que le matériau non linéaire augmente un peu ce temps et donc la probabilité d'une interaction 1photon->2photons, mais pourquoi ?
-----

[Resartus]

Bonjour,
Cela me semble typiquement le genre de question où une approche purement corpusculaire est vouée à capoter*. AMHA c'est plus compréhensible de commencer par les champs et de constater qu'il y a émission de deux ondes cohérentes, ce qui donnera lors des mesures ultérieures des photons corrélés

*Un peu comme essayer d'expliquer le doublement de fréquence, ou même tout simplement de calculer un indice de réfraction, seulement avec des photons
Après tout la dualité onde/corpuscule est suffisamment ch..te, autant l'exploiter pour au moins se faciliter la vie quand on peut

[invite54165721]

J'ai appris des trucs dans ce papier de Lvovsky
en particulier qu'une superposition 0> + s 2> avec s petit permet d'obtenir un état squeezé.

[Shagohod27]

Merci pour vos réponse mais je dois dire que je ne suis toujours pas satisfait.
Ca ne répond pas vraiment à ma question de pourquoi le milieu non linéaire favorise la création de paires de photons en favorisant l'existence de ces états virtuels de très courtes durées. Pourquoi ça ne serait pas faisable dans un milieu linéaire simplement ? Dans un milieu linéaire il y a aussi des atomes qui peuvent être excités, pourquoi ceux-ci ne passent pas par des états virtuels intermédiaires ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[coussin]

Je n'aime pas ces explications en termes d'états virtuels mais soit...
Effectivement, les états virtuels sont toujours là, milieu linéaire ou pas. Il faut voir ce qu'on peut en faire de ces états virtuels...
Avec un milieu linéaire, on a que des processus à 1 photon et il est alors impossible "d'utiliser" ces états virtuels qui sont désaccordés par rapport au photon incident. Avec un milieu non linéaires, des processus à plusieurs photons deviennent possibles. Avec ces processus, l'utilisation de ces états virtuels devient également possible tant qu'on conserve l'énergie, le moment, les phases, etc.

[Shagohod27]

Bon autre question du coup:

Les 2 photons qui sortent d'un oscillateur paramétrique optique (OPO) sont-ils intriqués ou juste corrélés ? ou alors l'un ou l'autre en fonction de la configuration du cristal (orientation, accord de phase) ?

[coussin]

Quelle différence faites-vous entre intriqué et corrélé ?

[Shagohod27]

Pour moi 2 particules intriquées sont forcément corrélées, l'inverse n'est pas vrai.
Par exemple pour l'opo si je reformule la question et en prenant l'exemple de la polarisation : si les photons en sortie sont corrélés alors si par exemple on oriente le cristal d'une certaine manière alors on peut créer 2 photons de polarisation p. Si par contre ils sont soit s, soit p et qu'on ne peut pas le savoir avant d'avoir fait la mesure et que ça nous donne immédiatement l'état de l'autre photon alors ils sont intriqués.

Donc en sortie d'opo ils sont comment ?

[coussin]

Apparemment, c'est intriqué : https://en.m.wikipedia.org/wiki/Opti...ed_light_beams

[Shagohod27]

mmh ok, je reviens à la charge avec une autre question, y a t'il une manière intuitive pour expliquer pourquoi des photons intriqués permettent de réduire le bruit quantique (squeezing) ?

[Shagohod27]

pas évident d'expliquer de manière intuitive les concepts quantiques je sais

[invite54165721]

Pour le lien entre intrication et squeezing, relis le début du papier de Lvovsky donné plus haut (two modes squeezed light)

[Shagohod27]

Justement j'ai lu et ça ne répond pas suffisamment :

Il dit que la l'incertitude sur la différence des observables de positions diminue et que l'incertitude sur la somme des observables "momentum" diminue aussi dans le cas de photons intriqués.

Je vois que cette affirmation est également corroborée par le calcul. Cependant il n'y a aucune explication physique associée, il se contente de dire le résultat qui ressort du calcul.

[invite54165721]

il ne fait pas que dire il montre aussi.
la figure 3 b montre la forme des ellipses qui caracterise la compression et les inclinaisons montrent les correlations pour les positions ou impulsions.
est ce que ce qui te manque c'est la facon dont on obtient en pratique le 1> + s 2> ?

[Shagohod27]

J'ai remonté la chaîne de compréhension jusqu'au bout, j'ai compris en pratique comment un matériau non linéaire favorise la création de 2 photons à partir d'un seul en entrée, j'ai compris pourquoi ces 2 photons sont intriqués, ce que j'ai du mal à saisir en pratique c'est pourquoi cette intrication réduit le bruit global.

En gros ce qui est dit dans (énormément) d'articles/livres parlant du squeezing est l'explication du passage du cercle pour un état cohérent à l'ellipse où l'une ou l'autre des quadratures est squeezée. En plongeant un peu dans le sujet on trouve que c'est grâce au fait que les photons sont intriqués mais à aucun moment il n'est explicité clairement de manière physique (donc pas simplement par le calcul) en quoi cette intrication permet de réduire l'incertitude sur la phase ou sur l'amplitude, on sait seulement que les 2 sont corrélés.

[invite54165721]

l'intrication en soi et a mon avis n'implique pas le squeezage. si les conditions de création de la paire a mesurer font que c'est le cas (coefficient R) alors il y a un axe privilégié pour l'ellipse et un renseignement sur la phase.

[invite54165721]

d'apres ce que tu en sais, l'axe de l'ellipse est il invariant ou tourne t il ?

[azizovsky]

Le débat n'est pas encore clôturer d'après ce que je comprend :

La fluorescence paramétrique est la lumière générée par la pompe en un passage à travers le milieu non-linéaire. Contrairement à la fluorescence d'un laser qui est incohérente et omnidirectionnelle, la fluorescence paramétrique est une lumière cohérente créée selon une ou plusieurs directions bien particulières dictées par l'accord de phase (voir cône de fluorescence paramétrique). Dans bon nombre d'OPO, cette fluorescence est d'intensité beaucoup trop faible pour être visible à l'œil nu, ou même détectable avec une photodiode.

D'après les équations de l'optique non-linéaire, cette fluorescence ne peut pas être créée à partir de rien : un bruit de départ est nécessaire. Ce bruit est appelé fluorescence paramétrique spontanée par analogie avec les milieux laser. Dans de nombreux travaux scientifiques, ce bruit, à défaut de pouvoir être mesuré, est modélisé par un champ phénoménologique dont l'énergie est celle d'un ou d'un demi photon par mode électromagnétique. On entend ici par mode une solution des équations de Maxwell dans le vide, avec les conditions aux limites imposées par exemple par la cavité optique de l'OPO. L'origine de ce bruit est encore discuté au sein de la communauté scientifique. Il est parfois attribué aux fluctuations quantiques du vide.

c'est comme , le pourquoi n'est pas facile à formaliser en physique ...

la même chose avec : (avec conditions..)

l'opérateur

fait l'affaire :

où désigne l'opérateur d'annihilation d'un photon de pompe (p), signal (s) et complémentaire (c), et g est une constante de couplage que l'on peut obtenir par une correspondance semi-classique notamment. L'interprétation corpusculaire de la conversion paramétrique est transparente sur cet hamiltonien

https://fr.wikipedia.org/wiki/Oscill...trique_optique