L'objet de cet article est de présenter des expériences permettant d'étudier et de mesurer les sources de bruit présentes dans tout système de détection quantique : bruit d'amplificateur, bruit thermique d'une résistance (bruit Johnson), bruit de photons (bruit de Schottky ou "shot noise"). Le bruit de photons a été longtemps considéré comme une limite fondamentale liée à la nature quantique dela lumière. Il est parfois attribué à tort au détecteur lui même. En effet, le bruit de photons dépend de la source lumineuse utilisée et dans certaines conditions très particulières, il est possible de descendre en dessous de cettelimite. Ceci est l'objet de la dernière partie de notre contribution dont le but essentiel est de réaliser une expérience pratique afin de réduire d’une façon sensible le bruit de photons.
L'objet de cet article est de présenter des expériences permettant d'étudier et de mesurer les sources de bruit présentes dans tout système de détection quantique : bruit d'amplificateur, bruit thermique d'une résistance (bruit Johnson), bruit de photons (bruit de Schottky ou "shot noise"). Le bruit de photons a été longtemps considéré comme une limite fondamentale liée à la nature quantique dela lumière. Il est parfois attribué à tort au détecteur lui même. En effet, le bruit de photons dépend de la source lumineuse utilisée et dans certaines conditions très particulières, il est possible de descendre en dessous de cettelimite. Ceci est l'objet de la dernière partie de notre contribution dont le but essentiel est de réaliser une expérience pratique afin de réduire d’une façon sensible le bruit de photons.
Les fluctuations quantiques sont devenues un nouvel objet d'étude pour les physiciens. Elles constituent en effet une limite à la sensibilité de certaines mesures de très haute précision, dans le domaine optique depuis longtemps, dans le domaine microonde depuis quelques années. Depuis une dizaine d'années, des études théoriques ont montré que cette limite pouvait être contournée. Les résultats obtenus expérimentalement permettent d'imaginer de nombreuses applications concernant des mesures physiques ultrasensibles, des effets qualitativement nouveaux mais aussi des applications dépassant le cadre de la physique fondamentale. On peut comprendre les principales propriétés des fluctuations quantiques grâce à des représentations imagées relativement simples. Dans la première partie de cet article, nous utilisons ces représentations pour passer en revue les problèmes généraux liés au bruit quantique, les différentes méthodes utilisées pour réduire ce bruit et les applications potentielles de ces résultats. La deuxième partie de cet article est consacrée à l'étude approfondie de quelques problèmes particuliers permettant de montrer comment les représentations imagées peuvent être justifiées à partir de la théorie quantique. Nous discutons les approches corpusculaire et ondulatoire à la théorie de la photodétection. Nous présentons la définition des états comprimés idéaux et la représentation semi-classique de leurs fluctuations. Enfin, nous montrons comment ces états comprimés peuvent être générés en utilisant des oscillateurs paramétriques optiques.
Dans de nombreuses applications.les problèmes de stabilité de fréquence et d'intensité du rayonnement laser jouent un rôle cIlIcial.Le « bl\lit " incontrôlable de la source constitue en effet une limitation des performances du système.L'exemple tJ\trême en la matière est fourni par les détecteurs interférométriques de rayonnement gravitationnel (voir cours de C. Nary Man), où en raison de la faiblesse extrême du signal il mesurer, la fréquence et l'intensité de la source laser doivent atteindre une extraordinaire stabilite.Pour l'essentiel, le blllit dans les lasers est d'origine «technique ». c'est-a-dire qu'il est lié a des fluctuations difficilement maltrisables de divers paramètres du laser (longueur de la cavité, nombre d'éléments actifs dans l'amplificateur laser, taux de pompage ... ).Comme le montre le cours de C. Chardonnet, ces bruits peuvent être diminués, au prix de beaucoup de travail et d'astuces technologiques.Mais il est utile de savoir si ces effons sont appelés li se heuneT tÔt ou tard à des limites imposées par la physique même du processus, ou si on peut espérer faire tendre ces bruits vers zéro.L'objet de ce cours est d•exposer les idées de base sur les limites imposées par la mécanique quantique au bruit d'un faisceau laser.Nous commencerons par quelques rappels relatifs au bruit quantique d'un faisceau lumineux libre (section 1), puis nous Iraiterons des bruits quantiques dans l'amplification optique (section 2) et dans le laser (section 3).Nous terminerons dans la section 4 par une description des résultats experimentaux relatifs aliX «lasers sub-Poissoniens », c'est-à-dire ayant un bruit d'intensité inférieur au bruit de grenaille ou «shot noise ». 1. FLUCTUATIONS QUANTIQUES DE LA LUM IÈRE Nous rappelons ici brièvement les caractéristiques essentielles des fluctuations d'origine quantique du champ électromagnétique.On trouvera dans les références {1-41 un exposé beaucoup plus détaillé des propriétés quantiques de la lumière 1.1.Cu d'u n m od~ uniqu ~ d u cham p Considérons un mode du champ défini par sa fréquence (0, son vecteur d'onde k et sa polarisation supposée rectiligne 1: (un laser monomode peut être considéré comme émettant un tel mode, si on ne s'intéresse pas aux effets liés à la variation transverse d'intensité).
Mitigation du bruit pour le comptage de photon microonde unique La détection de photons uniques est depuis longtemps maîtrisée dans le domaine optique, mais demeure un défi aux fréquences microondes. Le développement de détecteurs de photons micro-ondes uniques ouvre de nouvelles perspectives, avec des applications allant de la recherche d’axions aux systèmes quantiques hybrides, jusqu’à l’informatique quantique supraconductrice. Ces dispositifs exploitent l’interaction entre photons itinérants et qubits supraconducteurs pour réaliser une mesure non destructive quantique de l’état du photon — une approche qui se distingue fondamentalement des détecteurs optiques traditionnels, de nature absorptive. Dans ce travail, nous développons un protocole de détection en cascade permettant de mesurer plusieurs fois l’état d’un photon, en distribuant l’information sur plusieurs qubits. Cette stratégie réduit significativement le bruit local intrinsèque, offrant une amélioration de deux ordres de grandeur de la sensibilité, tout en maintenant une efficacité élevée. Le détecteur que nous proposons repose sur la concaténation cohérente de deux processus de mélange à quatre ondes sur une même puce. Ce schéma garantit une dynamique cohérente quantique et permet d’ajuster dynamiquement la bande passante du détecteur — un atout essentiel pour des environnements soumis au bruit thermique. Nous démontrons une sensibilité intrinsèque de (8 ± 1) × 10−24 W/√Hz at 8.798 GHz, limitée uniquement par le bruit thermique du résonateur d’entrée. Enfin, nous discutons des limitations actuelles et illustrons des avancées récentes.
Bien que les principes de base de la mesure en mecanique quantique soient connus depuis longtemps, ce n'est que recemment que les experiences ont ete confrontees a ses consequences. Les effets d'action en retour de la mesure et les limites quantiques associees sont aujourd'hui des notions essentielles dans un certain nombre d'experiences ultrasensibles, et la possibilite d'aller au-dela de ces limites par differentes techniques de compression du bruit ou de mesure non destructive a ete largement exploree. Ce cours presente une introduction aux concepts de la mesure en mecanique quantique, en decrivant les principes de mesures directe et indirecte, l'action en retour, les limites quantiques et le controle des bruits quantiques. L'accent est mis sur les mesures en optique et plus particulierement les mesures interferometriques de position ou les effets de la pression de radiation conduisent a des systemes modeles pour l'etude des mesures a leurs limites quantiques.
Une source de lumière comporte des bruits d'origine classique (dus aux vibrations mécaniques, aux fluctuations thermiques...) qu'il est en principe toujours possible d'éliminer et un bruit d'origine spécifiquement quantique lié à la nature corpusculaire de la lumière. Ce bruit de photon appelé aussi bruit quantique standard ou bruit de grenaille a longtemps été considéré comme une limite infranchissable pour la sensibilité des mesures optiques. On sait maintenant qu'il existe des états du champ électromagnétique qui permettent de dépasser cette 'limite quantique standard'. Ces états comprimés du champ sont dans la plupart des cas créés par des effets d'optique non linéaire. En particulier, ils peuvent être produits par un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO). Un OPO constitué par un cristal non-linéaire inséré dans une cavité optique, et excité par une onde pompe intense, génère par effet paramétrique deux nouvelles ondes dites signal et complémentaire. Il est possible de réduire sous le bruit quantique standard les fluctuations associées à ces trois ondes. En particulier, par interaction paramétrique, un photon de pompe est converti simultanément en un photon du signal et un photon du complémentaire. Un OPO génère ainsi des faisceaux corrélés temporellement au niveau quantique et appelés faisceaux jumeaux. De plus, lorsque la pompe est une onde plane, et que les fréquences du signal et complémentaire sont voisines, par l'interaction paramétrique signal et complémentaires sont émis symétriquement par rapport à la direction de propagation de la pompe et sont donc aussi corrélés spatialement au niveau quantique. La réduction sous la limite quantique standard du bruit de l'onde pompe réfléchie par la cavité est une illustration des potentialités de compression de l'OPO. Celle-ci a été mise en évidence dans un OPO fonctionnant avec un cristal à quasi accord de phase et émettant des faisceaux à une longueur d'onde voisine de 2Μm. Les faisceaux jumeaux constituent un autre exemple de faisceaux non-classiques émis par l'OPO. Ils peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité ultime de certaines mesures. En particulier, la corrélation de faisceaux jumeaux a été exploitée pour réaliser une mesure d'absorption dans le rubidium avec une sensibilité non limitée par le bruit quantique standard. Dans un OPO dégénéré en modes transverses, pour lequel l'émission est multimode, la compression des fluctuations peut s'observer en théorie à l'échelle locale en ne mesurant le bruit que sur une partie du faisceau. De plus un tel OPO doit permettre d'observer des corrélations quantiques spatiales entre différentes parties des faisceaux. Expérimentalement, il a été montré que dans un OPO confocal, l'émission, multimode, possède des corrélations locales. Des faisceaux possédant une corrélation quantique spatiale ont permis de mesurer le petit déplacement d'un faisceau avec une sensibilité supérieure à la limite quantique standard.
En mécanique quantique, toute mesure est responsable d'une action en retour sur le système mesuré, qui limite en général la sensibilité de la mesure. Il en est ainsi dans les mesures interférométriques, où les miroirs de l'interféromètre sont susceptibles de se déplacer sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. Ceci provoque un bruit supplémentaire dans la mesure de longueur des bras de l'interféromètre et conduit à l'existence d'une limite quantique pour la sensibilité de la mesure. Ces effets produisent également des corrélations entre l'intensité de la lumière et le mouvement du miroir, qui pourraient être mises à profit en optique quantique. Nous avons développé une expérience destinée à l'étude des bruits dans les mesures interférométriques ultrasensibles, qu'ils soient d'origine classique comme le bruit thermique des miroirs, ou bien d'origine plus fondamentale, comme le bruit quantique de la pression de radiation, qui n a encore jamais été mis en évidence à ce jour. L'expérience est basée sur une cavité Fabry-Pérot de grande finesse, dans laquelle les déplacements du miroir sont mesurés à un niveau meilleur que l'attomètre en détectant les variations de phase du faisceau réfléchi par la cavité. Nous présentons l'ensemble des améliorations que nous avons apportées à notre système, destinées avant tout à favoriser le bruit quantique de pression de radiation par rapport au bruit thermique, ainsi que les importants ajustements de notre dispositif qui ont eux-mêmes découlé de ces améliorations. Pour pouvoir atteindre cet objectif, nous avons suivi trois stratégies en parallèle: nous avons tenté de diminuer la force thermique de Langevin en installant un cryostat fonctionnant à 4 K, nous avons amélioré les propriétés mécaniques de notre résonateur de manière à ce qu'il réponde plus favorablement à la pression de radiation, et nous avons enfin augmenté l'amplitude des effets de pression de radiation, en améliorant la finesse de la cavité. Ces améliorations nous ont permis d obtenir un fonctionnement cryogénique mécaniquement stable à une température se situant vraisemblablement autour de la dizaine de Kelvin, mais elles ont surtout permis l obtention de facteurs de qualité mécaniques de l ordre de 800000, et des masses de l ordre de quelques dizaines de milligrammes, de concert avec une finesse record de 330000, ce qui correspond à une amélioration du rapport entre les effets de pression de radiation et les effets thermiques de plus de deux ordres de grandeur comparativement à nos précédentes cavités à miroir mobile.Nous avons présenté une étude détaillée des effets optomécaniques de la pression de radiation, d'abord théorique, puis expérimentale. La particularité de notre approche est la prise en compte de la nature multimode de notre résonateur, dont nous avons présenté les conséquences sur la mise en évidence de l'action en retour, ainsi que sur la sensibilité de la mesure. Nous avons ensuite présenté l'étude expérimentale de la réponse spectrale du mode fondamental Gaussien de notre résonateur plan-convexe à une force de pression de radiation, qui nous a permis de valider notre approche théorique, ainsi que de préciser les conditions les plus favorables à la mise en évidence des corrélations optomécaniques quantiques. Nous avons également démontré expérimentalement qu'il était possible de profiter de la nature multimode de nos miroirs pour améliorer la sensibilité de la mesure. Enfin, nous avons présenté une étude des corrélations optomécaniques au niveau classique entre l intensité d un faisceau signal et la phase d un faisceau de mesure, que nous avons réalisée à l'aide de bruits d'intensité arbitraires, construits pour être aussi semblables que possible au bruit quantique, bien qu'ayant une puissance spectrale beaucoup plus grande.Nous avons étudié en détails les conditions expérimentales limitant l'observation des corrélations quantiques lorsque l'on se trouve en régime thermique. Nous avons tout d'abord présenté une technique de moyennage permettant de mettre en évidence les déplacements induits par un bruit de pression de radiation arbitraire et périodique, dont la densité spectrale faible devant celle du bruit thermique. Nous avons ensuite expliqué comment il est possible d'étendre cette technique de moyennage au cas du bruit quantique de pression de radiation, en nous intéressant tout particulièrement à la durée de moyennage nécessaire pour pouvoir extraire les corrélations avec une précision suffisante, et nous avons illustré expérimentalement les concepts proposés, toujours à l'aide d'un bruit de pression de radiation classique. Nous avons ensuite vu que la durée du moyennage n'était pas la seule limitation expérimentale à l'observation des corrélations quantiques, mais que l'existence de pertes optiques dans la cavité peuvent être à l'origine d'une contamination de la quadrature d'intensité du champ réfléchi par les fluctuations de position du miroir, qui induisent des conditions très fortes sur la qualité de l'asservissement de la fréquence du laser sur la résonance optique. Nous avons explicité ces conditions dans le cas de corrélations mesurées à résonance mécanique et hors résonance mécanique, et nous avons terminé par la mise en évidence expérimentale de ce phénomène de contamination.Nous avons consacré la dernière partie de ce manuscrit à une étude du couplage optomécanique dans une cavité désaccordée. Nous avons tout d'abord présenté une description théorique des effets de pression de radiation dans une cavité désaccordée, également appelés "action en retour dynamique", dont nous avons vu qu'ils se décomposaient en deux contributions, l'une dissipative, et l'autre conservative. Nous avons illustré expérimentalement des applications de chacune de ces contributions: nous avons d'abord présenté une démonstration de refroidissement passif de notre résonateur plan-convexe, puis nous avons montré qu'il était possible d'utiliser la contribution conservative de l'action en retour dynamique afin d amplifier une variation de longueur apparente de la cavité, c'est-à-dire une variation de longueur indépendante de la réponse mécanique du miroir mobile, comme en génère par exemple une onde gravitationnelle. Nous démontrons également que cet effet d amplification peut être associé dans certaines conditions à une amélioration de la sensibilité de la mesure. Nous avons ainsi démontré expérimentalement une amplification d un facteur 6 sur un signal consistant en une modulation de fréquence du laser. Nous avons également démontré que cette amplification est associée à une amélioration de la sensibilité de 5 dB par rapport à la limite quantique standard.