The perfect crystal neutron interferometer has been used continuously for test measurements on quantum mechanics. Polarized neutrons were used to perform the quantum mechanical spin-superposition experiment on a macroscopic scale. This experiment was continued with two resonance coils in the beams, in which the coherence persisted, even if an energy exchange occurred with certainty between the neutron and the resonator system. A quantum beat effect was observed when slightly different resonance frequencies were applied to both beams. In this case, an extremely high energy sensitivity of 2.7×10 −19 eV was achieved. Neutron spectroscopy is thus able to cover time domains from microscopic to macroscopic scales. All the results obtained until now are in agreement with the formalism of quantum mechanics and stimulate discussion about the interpretation of this basic theory L'interferometre a neutrons a cristal parfait a servi sans discontinuer a faire des mesures tests en mecanique quantique. Des neutrons polarises ont ete utilises pour effectuer une experience de superposition de spins quantiques a l'echelle macroscopique. Cette experience fut reprise, en interposant deux solenoides resonnants dans les faisceaux et la coherence montree persister meme si un echange d'energie s'effectuait de maniere certaine entre le neutron et le systeme resonnant. Un effet de battement quantique a ete observe quand des frequences de resonance legerement differentes sont appliquees aux deux faisceaux. Dans ce cas une sensibilite en energie extremement grande (2,7×10 −19 et) a ete atteinte. La spectroscopie de neutrons peut donc couvrir des domaines temporels allant de l'echelle microscopique a l'echelle macroscopique. Tous les resultats obtenus jusqu'a present sont en accord avec le formalisme de la mecanique quantique et suscite des discussions sur l'interpretation de cette theorie fondamentale
The perfect crystal neutron interferometer has been used continuously for test measurements on quantum mechanics. Polarized neutrons were used to perform the quantum mechanical spin-superposition experiment on a macroscopic scale. This experiment was continued with two resonance coils in the beams, in which the coherence persisted, even if an energy exchange occurred with certainty between the neutron and the resonator system. A quantum beat effect was observed when slightly different resonance frequencies were applied to both beams. In this case, an extremely high energy sensitivity of 2.7×10 −19 eV was achieved. Neutron spectroscopy is thus able to cover time domains from microscopic to macroscopic scales. All the results obtained until now are in agreement with the formalism of quantum mechanics and stimulate discussion about the interpretation of this basic theory L'interferometre a neutrons a cristal parfait a servi sans discontinuer a faire des mesures tests en mecanique quantique. Des neutrons polarises ont ete utilises pour effectuer une experience de superposition de spins quantiques a l'echelle macroscopique. Cette experience fut reprise, en interposant deux solenoides resonnants dans les faisceaux et la coherence montree persister meme si un echange d'energie s'effectuait de maniere certaine entre le neutron et le systeme resonnant. Un effet de battement quantique a ete observe quand des frequences de resonance legerement differentes sont appliquees aux deux faisceaux. Dans ce cas une sensibilite en energie extremement grande (2,7×10 −19 et) a ete atteinte. La spectroscopie de neutrons peut donc couvrir des domaines temporels allant de l'echelle microscopique a l'echelle macroscopique. Tous les resultats obtenus jusqu'a present sont en accord avec le formalisme de la mecanique quantique et suscite des discussions sur l'interpretation de cette theorie fondamentale
Dans les année récentes, les systèmes d'atomes froids ont été reconnus comme des outils prometteurs pour réaliser des simulateurs quantiques, ainsi que pour différentes applications en information quantique. Parmi eux notamment la jonction Josephson bosonique, un système de bosons ultrafroids dilués pouvant occuper deux modes, a été employée pour réaliser un interféromètre atomique, qui a permi d'estimer un déphasage avec une précision dépassant la limite classique. Dans cette thèse, nous étudions d'un point de vue théorique la production, la détection et la décohérence d'états intriqués qui peuvent être utilisés pour l'interférométrie de haute précision dans une jonction Josephson bosonique. Parmi ces états quantiques utiles se trouvent les états comprimés et les superpositions macroscopiques d'états cohérents. Dans la première du manuscrit, nous démontrons que les superpositions macroscopiques d'états cohérents peuvent être créées pendant la dynamique qui suit un arrêt soudain du couplage entre les deux modes de la jonction, puis nous étudions des protocoles de détection expérimentale. Il existe inévitablement dans chaque expérience des sources de bruit, les principaux étant le bruit de phase, induit par des fluctuations des énergies des deux modes, et la perte d'atomes. La présence de bruit induit de la décohérence et dégrade les corrélations quantiques des états manipulés. Dans la deuxième partie du manuscrit nous analysons en détail la façon dont les corrélations quantiques utiles des états comprimés et des superpositions macroscopiques sont dégradées par le bruit de phase. Nous montrons que, pour des intensités de bruit modérées, les superpositions d'états cohérents à plusieurs composantes sont des candidats intéressantes pour l'interférométrie de précision. Enfin, nous étudions l'effet de la perte d'atomes sur la formation des superpositions macroscopiques, en montrant comment la décohérence agit sur la matrice densité du système
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.
In continuation of previous work explicitly demonstrating the basic quantum-mechanical principles of the static and the time-dependent superposition of spinors, a new double-resonance coil experiment is described, where a spin-flip process associated with an exchange of energy quanta happens in both beams of a perfect-crystal neutron interferometer. It is shown that under the given circumstances of neutron self-interference coherence is preserved in spite of the energy transfer to every neutron, which may stimulate renewed epistemological discussions about the interpretation of quantum mechanics. Furthermore quantum beating on a macroscopic time scale has been observed by introducing an exceedingly small energy difference of 8.6\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}${10}^{\mathrm{\ensuremath{-}}17}$ eV between the two interfering beams. According to the statistical accuracy of the data thereby an energy sensitivity of 2.7\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}${10}^{\mathrm{\ensuremath{-}}19}$ eV has been achieved.
La notion de dualité onde-particule a été centrale dans le développement de la mécanique quantique. Introduite principalement par Louis DE BROGLIE dans sa thèse de 1924, elle a permis à ce dernier d’ébaucher une nouvelle théorie pour décrire le monde microscopique : la mécanique ondulatoire. Néanmoins, cette description mécanique ainsi que sa forme plus rigoureuse, nommée théorie de la double solution, ont été rapidement abandonnées en raison de leur complexité, en faveur du formalisme quantique moderne et de l’interprétation de l’École de Copenhague.Un regain d’intérêt pour ces questions est survenu au cours des deux dernières décennies, qui ont vu apparaître des expériences mettant en œuvre de possibles analogues macroscopiques de la mécanique quantique. On pense en particulier aux expériences de Yves COUDER de 2005, ayant permis de reproduire une forme de dualité onde-particule, ainsi que les phénomènes quantiques associés. L’objectif de cette thèse est donc double : d’une part, construire un modèle analogue de la dualité onde-particule, qui sera entièrement classique et mécanique et, d’autre part, utiliser ce modèle pour poursuivre les travaux de Louis DE BROGLIE sur la mécanique ondulatoire, en cherchant à construire une théorie d’onde pilote couplant deux ondes à une particule.Nous explorerons ainsi, à la fois les considérations mécaniques d’un tel modèle et les généralisations et abstractions nécessaires pour appliquer ce modèle macroscopique à l’échelle des particules quantiques. Ce second point nous permettra d’aborder des discussions plus fondamentales, sur la question de l’interprétation de la mécanique quantique, dans le contexte du théorème de Bell, des expériences d’Aspect, ainsi que de la théorie de de Broglie-Bohm.
Since the invention of perfect crystal neutron interferometry this technique has become an important tool in the realization of many textbook experiments in quantum mechanics. Widely separated coherent beams of thermal neutrons are produced and superposed by dynamical Bragg diffraction from a properly shaped perfect crystal. The observed interference patterns show the characteristic coherence properties of matter waves which arc influenced by the individual particle and by the properties of the experimental device. The verification of the 4π-periodicity of spinor wavefunctions and the realization of thc spin-superposition experiment on B macroscopic scale has become feasible by this technique. A new kind of a quantum beat effect with an energy sensitivity of 2.7 × 20−-19 eV has been observed in a double coil resonance experiment. The influence of gravity and of the Earth's rotation on the wavefunction become visible at a level of an elementary particle with non-zero mass. All the results are in agreement with the formulation of quantum mechanics but, nevertheless, they stimulate discussion about its interpretation. The particle-wave dualism becomes obvious on a macroscopic scale and with a beam of massive particles.
Dans les année récentes, les systèmes d'atomes froids ont été reconnus comme des outils prometteurs pour réaliser des simulateurs quantiques, ainsi que pour différentes applications en information quantique. Parmi eux notamment la jonction Josephson bosonique, un système de bosons ultrafroids dilués pouvant occuper deux modes, a été employée pour réaliser un interféromètre atomique, qui a permi d'estimer un déphasage avec une précision dépassant la limite classique. Dans cette thèse, nous étudions d'un point de vue théorique la production, la détection et la décohérence d'états intriqués qui peuvent être utilisés pour l'interférométrie de haute précision dans une jonction Josephson bosonique. Parmi ces états quantiques utiles se trouvent les états comprimés et les superpositions macroscopiques d'états cohérents. Dans la première du manuscrit, nous démontrons que les superpositions macroscopiques d'états cohérents peuvent être créées pendant la dynamique qui suit un arrêt soudain du couplage entre les deux modes de la jonction, puis nous étudions des protocoles de détection expérimentale. Il existe inévitablement dans chaque expérience des sources de bruit, les principaux étant le bruit de phase, induit par des fluctuations des énergies des deux modes, et la perte d'atomes. La présence de bruit induit de la décohérence et dégrade les corrélations quantiques des états manipulés. Dans la deuxième partie du manuscrit nous analysons en détail la façon dont les corrélations quantiques utiles des états comprimés et des superpositions macroscopiques sont dégradées par le bruit de phase. Nous montrons que, pour des intensités de bruit modérées, les superpositions d'états cohérents à plusieurs composantes sont des candidats intéressantes pour l'interférométrie de précision. Enfin, nous étudions l'effet de la perte d'atomes sur la formation des superpositions macroscopiques, en montrant comment la décohérence agit sur la matrice densité du système