Cette expérience optique a-t-elle déjà été réalisée ?

[QuébecEcho]

Bonjour à tous,
J’ai un problème. Voilà de quoi il s'agit :
Une image classique en optique représente les différents trajets d’un rayon lumineux qui traverse une plaque de verre. L’image met en évidence les trajets qu’emprunte la lumière selon les angles incidents, déviés et réfléchis plus ou moins partiellement, à l’intérieur comme à l’extérieur du verre. Vous connaissez, j'en suis sûr.

Récemment, une petite (mais diablement insistante) voix a commencé à me demander si cette expérience a déjà été faite avec une source lumineuse capable de produire un photon à la fois. Des détecteurs de photons adéquatement positionnés devraient alors générer des détections en parfait accord avec les résultats obtenus avec une source lumineuse continue. Bien sûr, les résultats obtenus n’auront pu que confirmer cette corrélation (à quoi s’attendre de plus ?).
Si on prend en considération les nombreuses surprises que nous a déjà réservé la mécanique quantique, vous conviendrez avec moi qu’il serait incroyable que cette vérification expérimentale n’ait pas déjà été faite par un laboratoire compétent.
Alors voilà, je m’adresse aux physiciens-qui-savent-ce-genre-de-choses pour les supplier de m’aider à faire taire cette « voix » sans l’usage de puissants médicaments ou de ruineuses thérapies. Mais je DOIS savoir.
À l’avance, je remercie toutes les bonnes âmes qui voudront bien m’aider à résoudre la question (très très très pointue) qui est évoqué dans le titre de cette discussion.

Reconnaissant, André
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[ThM55]

Bonjour. Des expériences à un photon ou un petit nombre de photons relèvent de ce que l'on appelle "l'optique quantique". La réponse à votre question est évidemment oui, on sait faire toutes sortes d'expériences avec un seul photon présent à un instant donné dans le banc optique, cela a déjà été fait dans un nombre énorme d'expériences. Par exemple dans ces expériences il est très fréquent d'utiliser des "miroirs semi-transparents" (ou "semi-réfléchissants" c'est une question de point de vue), qui sont en réalité des prismes accolés ou parfois aussi des prismes biréfringents dans lesquels le phénomène de réfraction se produit.

La réfraction telle qu'on l'explique en physique classique (par exemple dans le cours de Feynman) est un effet collectif d'un grand nombre de photons. Mais il existe aussi une théorie purement quantique de la propagation des photons dans un milieu et cela a bien fait l'objet d'expériences. Pour des raisons évidentes, ces expériences sont bien plus difficiles à réaliser qu'une expérience en optique géométrique usuelle. Il faut aussi savoir précisément ce que la physique quantique prédit en ce qui concerne cette propagation pour savoir ce qu'il faut essayer d'observer. En fait il s'agir d'effets subtils comme des déphasages ou des modifications de la vitesse de groupe. Cela dit le phénomène de réfraction n'est qu'une toute petite partie de l'optique quantique, qui en fait s'intéresse à une foule d'effet quantiques différents. Il est vrai qu'on trouve peu d'articles décrivant des expériences uniquement consacrée à l'étude de la réfraction au niveau quantique. Une référence connue sur le sujet de l'optique quantique expérimentale est le livre suivant: https://www.amazon.fr/Guide-Experime...&s=books&sr=1- .

[ThM55]

Des détecteurs de photons adéquatement positionnés devraient alors générer des détections en parfait accord avec les résultats obtenus avec une source lumineuse continue. Bien sûr, les résultats obtenus n’auront pu que confirmer cette corrélation (à quoi s’attendre de plus ?).

Je ne vois vraiment pas pourquoi vous faites cette hypothèse. Le photon ayant un comportement quantique, le résultat en optique géométrique classique n'est qu'une moyenne des comportements quantiques des photons individuels, qui individuellement peuvent être très différents. C'est un peu comme supposer que dans l'atome les électrons devraient se comporter comme en mécanique classique, ce qui est évidemment faux.

[EttoreElMagnifico]

Un abus de langage a peut être été fait, très intéressant en tout cas. Cela met à l'honneur sans chauvinisme le récent Nobel Alain Aspect, pionnier dans le domaine de l'optique quantique ! Je vous invite cher André à vous renseigner sur ce bonhomme et ses travaux sur les inégalités de Bell.

[A voir en vidéo sur Futura]

[QuébecEcho]

Bonjour à vous ThM55 et merci infiniment pour vos éclaircissements.
Ce n'est pas évident d'être clair dans certains domaines pointus sans en maitriser le jargon associé. Je dois maintenant vous avouer que l’expérience à laquelle je réfléchissais était pas considéblement naïve que celles que vous avez pu imaginer. Je m'explique. Revenons à l’image de physique optique dont il est question : il se produit deux déviations principales lorsque le faisceau lumineux traverse obliquement le bloc de verre (aux faces parallèles). À chacune de ces déviations, une petite partie de la lumière est réfléchie alors que le plus gros du rayon est simplement dévié.

le résultat en optique géométrique classique n'est qu'une moyenne des comportements quantiques des photons individuels

C'est bien cela qui m'interpelle, comparer les résultats photon par photon dans les même conditions qu'avec une source lumineuse continue.
Imaginons qu’il soit possible d’implanter un réseau de détecteurs de photons un peu partout dans la zone. Puis, on envoie des photons (un à la fois) frapper le bloc de verre selon le même angle que celui de la fameuse image. À chaque fois qu’un photon active un détecteur on allume un pixel correspondant à la position du détecteur. Une analyse de la répartition des photons détectés ne devrait-elle pas révéler une correspondance avec l’image de physique optique dont il est question. Autant sur le tracé que les intensités ? J’imagine qu’on devrait voir le tracé des rayons lumineux apparaitre progressivement au fur et à mesure que des photons sont détectés (un peu comme le faisait Hubble lors de la détection du deep-space). Une expérience vraiment très basique.

Et c’est un peu là mon problème : j’éprouve quelques difficultés à concilier le concept d’un nuage de probabilités qui s’effondre avec l’image d’un photon qui se paie deux ricochets sur la surface interne d’un bloc de verre avant de venir exciter un détecteur de photons.
Photoniquement, André

[QuébecEcho]

Merci beaucoup Ettore,
Vous avez bien raison pour Alain Aspect. David Louapre (de Science Étonnante) m'a déjà fait découvrir ce grand scientifique.
Merci à vous pour avoir proposé cette référence.

Amicalement, André

[pm42]

Et c’est un peu là mon problème : j’éprouve quelques difficultés à concilier le concept d’un nuage de probabilités qui s’effondre avec l’image d’un photon qui se paie deux ricochets sur la surface interne d’un bloc de verre avant de venir exciter un détecteur de photons.

En quoi est ce que ce serait différent de l'expérience des fentes de Young où on émet un photon ou un électron à la fois et où on a quand même la figure d'interférence ?

[coussin]

Une expérience vraiment très basique.

Certainement pas. Pour "reconstruire" ou "visualiser" le trajet d'un photon, on aurait besoin d'une série de détecteurs non-destructeurs (en effet, la plupart des détecteurs de photons absorbent ceux-ci...).
Ce n'est pas du tout (mais alors pas du tout...) "très basique".

[ThM55]

Si on a une lame de verre de dimensions grandes par rapport à la longueur d'onde, si on place des détecteurs de part et d'autre de cette lame, et si les photons successifs qui arrivent dans le système sont bien alignés (par exemple venant d'un laser qu'on a fortement atténué pour laisser passer un seul photon par seconde), je suppose qu'on observera en effet quelque chose de très proche de l'optique géométrique. A savoir une partie des photons seront transmis et une partie sera réfléchie, de manière aléatoire.

Cependant adopter ce point de vue, ou se limiter à cette question, c'est faire de "l'optique quantique du pauvre". On peut faire beaucoup plus en optique quantique. Par exemple dans cette expérience on peut vérifier que jamais le photon ne sera détecté en même temps des deux côtés de la lame. Ce genre d'expérience a été faite et elle montre bien que le champ électromagnétique est quantifié comme l'avait prédit Einstein.

Puisque vous parlez d'Alain Aspect, je vous recommande son cours en ligne sur Coursera: https://www.coursera.org/learn/quant...-single-photon
Dans cette première partie, où il examine les phénomènes à un photon, il présente exactement cette expérience d'anti-coïncidence. Il y a bien sûr des prérequis (équations de Maxwell, optique classique - géom+ondul., bases de la MQ).

Il y a un deuxième cours où il explique l'optique à deux photons ou plus, ce qui permet d'aborder les questions d'intrication, mais on peut voir dans son premier cours que le cas à un photon est déjà d'une richesse étonnante.

[ThM55]

Bien lire aussi la réponse de Coussin: en mécanique quantique, on ne peut en général pas mesurer une trajectoire d'un système quantique, cela n'a pas de sens. De plus avec un détecteur du genre photomultiplicateur on "mange" le photon: il est avalé dans le détecteur pour produire un signal qui est amplifié pour que l'expérimentateur puisse l'enregistrer. C'est ce qu'on appelle en mécanique quantique une "mesure forte". C'est une mesure destructive qui, si le système continue à exister (ce qui n'est pas le cas dans un photomultiplicateur), le fait passer dans un des états propres associés à la grandeur mesurée.

A côté de cela certains théoriciens (notamment Aharonov, bien connu pour son imagination fertile en physique quantique) ont imaginé des "mesures faibles" qui consistent à faire interagir faiblement le système quantique de manière à le perturber le moins possible pour obtenir de l'information sur des valeurs moyennes de variables du système. Chaque mesure faible n'est que très peu corrélée avec la valeur à mesurer, elle ne donne pas d'information physique significative mais en la répétant sur un grand nombre de systèmes identiques on peut montrer qu'elle converge en moyenne vers ce qu'une mesure forte aurait donné. Je dois avouer que je ne suis pas assez calé en optique quantique pour parler d'expériences concrètes avec ce type de mesure. Je n'ai pas vu cela dans le cours d'Aspect.

[gts2]

Bonjour,

Peut-être : nature dans laquelle on détecte le décalage latéral d'UN photon du à une lame.

[ThM55]

Bonjour,

Peut-être : nature dans laquelle on détecte le décalage latéral d'UN photon du à une lame.

Oui, c'est un exemple de mesure faible avec un seul photon présent dans l'interféromètre. Comme on le voit les mesures faibles sont possibles sur les deux bras de l'interféromètre, ce qui peut sembler étonnant, mais elles donnent des valeurs entachées d'une forte incertitude, ce qui fait qu'il n'y a pas en fait de contradiction avec les prédictions standard de la MQ. C'est le côté un peu décevant de ces expériences, elles ne nous apprennent rien de fondamentalement nouveau. En revanche elles permettront sans doute dans le futur d'en tirer des technologies nouvelles. Cela me fait un peu penser aux expériences sur l'électricité au XVIIIème siècle et au début du XIXème; elles étaient comprises comme des curiosités scientifiques mais peu de gens soupçonnaient l'ampleur de leurs applications futures.

[QuébecEcho]

Bonjour,

Certainement pas. Pour "reconstruire" ou "visualiser" le trajet d'un photon, on aurait besoin d'une série de détecteurs non-destructeurs (en effet, la plupart des détecteurs de photons absorbent ceux-ci...).
Ce n'est pas du tout (mais alors pas du tout...) "très basique".

Il s'agit d"une question théorique, une vue de l'esprit, la méthode utilisée n'est pas le sujet. Les scientifiques n'ont pas fini de nous surprendre avec les astuces déployées pour obtenir leur résultats. Toutefois, sans prétendre rivaliser avec les physiciens, je me demande si le montage utilisé pour réaliser la photo de physique optique dont il est question ne pourrait être utilisé tel quel mais en remplaçant l'appareil photographique par une caméra vidéo sensible. On émet un photon et on observe sa trace à la caméra (une très très bonne caméra, je vous l'accorde) à l'instant où il frappe une impureté qui va le diffuser comme sur la photo.
Notre photon, serai donc émis, dévié en passant dans le verre, réfléchi un première fois par la paroi du bas, réfléchi une seconde fois par la paroi du haute pour enfin percuter une impureté qui va le dévier jusqu'à l'appareil photo ou la caméra vidéo ou votre œil (biffez les mentions inutiles).
Ne trouvez-vous pas les fentes de Young reposantes en comparaison ?
Dubitativement, André

[QuébecEcho]

Bonjour,

Cependant adopter ce point de vue, ou se limiter à cette question, c'est faire de "l'optique quantique du pauvre".

Ah Ah Ah ! Je n'aurais pas pu mieux dire ...ni mieux résumer ma démarche.

En quoi est ce que ce serait différent de l'expérience des fentes de Young où on émet un photon ou un électron à la fois et où on a quand même la figure d'interférence ?

C'est tout à fait pertinent, je vous explique donc.
J'ai eu connaissance d'un montage dans lequel une couche de liquide est étalée sur une table vibrante. La table fait alors vibrer le liquide à une fréquence qui permet à une petite gouttelette déposée sur ce dernier de rebondir avant que le contact avec lui ne provoque un étalement de la gouttelette.
Une fois une gouttelette déposée sur le liquide vibrant, une concentration de vibrations provoque la formation d'un cône qui soulève la gouttelette. Demeurer en équilibre sur une pointe étant impossible, la bille va dévaler la pente de cette pointe dans une direction aléatoire. Une fois la pente dévalée, la bille atteint une surface plane de liquide dont les vibrations vont à nouveau se concentrer pour provoquer la formation d'une nouvelle pointe.
D'une descente à une autre la bille se met en mouvement et se déplace selon un tracé aléatoire. Toutefois, les ondes créées par la création et l'effondrement de la pointe de liquide affectent aussi le déplacement de la gouttelette, ces ondes pourraient traverser une fente et affecter le traitement de la gouttelette avant même qu'elle n'atteigne cette fente (ça vous évoque quelque chose?).
Je suis bien conscient des limites que comporte tout modèle, il n'empêche que ma grosse caboche obtuse semble s'en satisfaire.

Par contre, imaginer un photon (qui, rappelons-le, sera détruit s'il entre en effleure quoi que ce soit) faire toutes les cabrioles décrites dans la précédente réponse à Coussin, est le genre d'acrobatie qui risque d'être la cause d'une importante hécatombe dans mes neurones. Si je sais l'admettre intellectuellement, l'association entre ces déplacements d'un photon avec un effondrement des probabilités ne se manifeste pas avec tout l'éclat désiré chez-moi.

Finalement, la question se cantonnait réellement sur l'aspect optique géométrique que vous avez évoqué dans votre réponse (ThM55, je vous sens un peu déçu)

L’exercice peut paraître futile mais n'oublions pas qu'il y a fort longtemps, un clown a décidé de faire briller deux taches de lumière sur un mur, mais ça n'a pas donnée ce qu'il espérait. Non mais quel crétin ce Young !

Lumineusement, André

[QuébecEcho]

Bonjour,

Puisque vous parlez d'Alain Aspect, je vous recommande son cours en ligne sur Coursera: https://www.coursera.org/learn/quant...-single-photon
Dans cette première partie, où il examine les phénomènes à un photon, il présente exactement cette expérience d'anti-coïncidence. Il y a bien sûr des prérequis (équations de Maxwell, optique classique - géom+ondul., bases de la MQ).

Woups ! Mon niveau de mathématique se limite à mes cours du niveau collégial (lycée en France).

Je dois avouer que je ne suis pas assez calé en optique quantique pour parler d'expériences concrètes avec ce type de mesure.]

C'est bien ma veine d'être tombé sur un ignorant.

Bon, j'en conclu donc que cette expérience n'a jamais été effectuée (et tant pis pour mes neurones).

Sincèrement, je vous remercie tous pour toutes vos idées et interventions. Ce fut un réel plaisir.
Affectueusement, André

[ThM55]

Bonjour,

Woups ! Mon niveau de mathématique se limite à mes cours du niveau collégial (lycée en France).


C'est bien ma veine d'être tombé sur un ignorant.

L'étendue de notre ignorance dépassera toujours celle de nos connaissances.

Bon, j'en conclu donc que cette expérience n'a jamais été effectuée (et tant pis pour mes neurones).

Il me semble que tout ce que nous avons expliqué, notamment l'article référencé par gts2, démontre exactement le contraire.

[QuébecEcho]

Bonjour,
</aparté début> Aïe Aïe Aïe ! Je viens de réaliser que si j’avais bien rédigé ma dernière réponse, je ne l’avais toutefois pas publiée. J’espère que vous serez clément et saurez me pardonner cette impolitesse bien involontaire.</aparté fin>
Si vous le voulez bien revenons à nos photoniques moutons :

Bon, j'en conclu donc que cette expérience n'a jamais été effectuée (et tant pis pour mes neurones).

Il me semble que tout ce que nous avons expliqué, notamment l'article référencé par gts2, démontre exactement le contraire.

C’est bien vrai que mon ultime commentaire sonne comme si je doutais des résultats, alors qu’en vérité je me lamentais plutôt sur l’absence d’un film montrant l’apparition progressive d’une telle image.

En réalité, je recherchais simplement une vidéo montrant la révélation progressive du tracé des diverses réflexions et déviations au fur et à mesure que les pixels s’accumulent. Un peu comme lors d’une conférence d’Alain Aspect ou lorsqu’un télescope du calibre de Hubble, JSW et consorts, examine intensément un point vide d’étoiles. D’abord rien. Puis un pixel s’allume, puis un autre et encore un autre qui s’allument apparemment au hasard jusqu’à ce que petit à petit, une image cohérente émerge du chaos.

La satisfaction d’assister à la concrétisation d’une théorie contre-intuitive se dispute alors avec l’émerveillement qu’un habile illusionniste sait provoquer.

C’est beau. Tout simplement beau.

En réalité, le titre aurait dû être rédigé avec un libellé du genre « Est-ce qu’une vidéo montrant l’apparition pixel par pixel des figures de réflexion dans une lame de verre a déjà été produite ? ». C,est tellement évident ...maintenant …à postériori.

Et mon dernier message aurait dû ressembler à quelque chose du genre « Dommage, il semble bien qu’un tel film n’existe pas. ». Je ne voudrais surtout pas laisser des gens aussi gentils et dévoués que vous tous qui m’avez répondu, avec le sentiment d'avoir échoué à me faire comprendre des évidences (ou d'avoir eu affaire avec un goujat).

Un peu confusément, André

[coussin]

Je ne pense pas que ce soit possible tout simplement à cause de la vitesse de la lumière. Je ne connais pas d'électronique assez rapide pour faire un "film" de la lumière passant à travers une lame de verre.
Vous devrez vous contenter de simulations numériques comme celle-ci par exemple : https://youtu.be/NieEtvZFHMc?si=x3KOfDVmsepBQ8mo

[ThM55]

C'est pourtant possible et cela a été déjà fait! Voir par exemple ceci: https://physics.aps.org/articles/v14/4 .

Bien évidemment, cela n'a pas été fait avec un seul photon dans le banc optique! Il s'agit d'une impulsion laser qui en contient beaucoup car pour pouvoir l'observer il faut naturellement recevoir des photons qui ont été diffusés par l'air et la fumée pendant la trajectoire de l'impulsion.

[coussin]

C'est pourtant possible et cela a été déjà fait! Voir par exemple ceci: https://physics.aps.org/articles/v14/4 .

Je ne connaissais pas ces travaux; très intéressant

[QuébecEcho]

Bonjour,

C'est pourtant possible et cela a été déjà fait! Voir par exemple ceci: https://physics.aps.org/articles/v14/4 .

Bien évidemment, cela n'a pas été fait avec un seul photon dans le banc optique! Il s'agit d'une impulsion laser qui en contient beaucoup car pour pouvoir l'observer il faut naturellement recevoir des photons qui ont été diffusés par l'air et la fumée pendant la trajectoire de l'impulsion.

Très très impressionnant ! Merci beaucoup ThM55.
La rapidité du déclencheur donne le tournis. Cette caméra est réellement époustouflante !!!
Ça m'évoque la version actualisée de la démonstration faite par Eadweard Muybridge en 1878 prouvant que l'espace d'un instant, les 4 sabots du cheval ne touchent pas terre. Dans les deux cas c'est par la maîtrise du moment où la caméra prend son cliché que l'expérience a pu être menée.

Grâce à vous je peux désormais me vanter d'avoir déjà vu, de mes propres yeux vu, le tir d'un laser réalisé à la sauce hollywoodienne. Que la Force soit avec vous !

Vélocement, André