To investigate von Neumann’s proposal that an “extra-physical process” is involved in the measurement of a quantum system, an online experiment was conducted using a double-slit optical system. In a counterbalanced fashion, participants focused their attention toward or away from a feedback signal linked in real-time to the double-slit component of an interference pattern. A line camera continuously recorded the interference pattern at 4 Hz, and for each camera image fringe visibility was determined for the central 20 fringes. During 2013 and 2014, a total of 1,479 people from 77 countries contributed 2,985 test sessions. Over the same period 5,738 sessions were run as controls by a computer programmed to simulate human participants. The results showed that with human observers the fringe visibility at the center of the interference pattern deviated from a null effect by 5.72 sigma (p = 1.05×10), with the direction of the deviation conforming to the observers’ intentions. The same analysis applied to the control data resulted in an overall deviation of -0.17 sigma. After consideration of alternative explanations, these results were found to support von Neumann’s conclusion that the mind of the observer is an inextricable part of the measurement process. This type of experiment offers a means of empirically resolving longstanding questions about the role of consciousness in the physical world. Resume: Pour examiner si le concept de von Neumann en mecanique quantique d'une interaction de nature « non-physique » est mieux interpretee comme une forme passive d'observation ou comme une influence active, une experience a ete menee sur Internet en utilisant un systeme optique a double fente. Dans un protocole contrebalance, les participants ont concentre ou non leurs attentions sur un signal representant en temps reel le niveau d’interference du systeme de double fente. Une camera enregistrait en continu le motif d'interference a 4 Hz, et pour chaque image, la visibilite d’interference des 20 franges d’interference centrales a ete calculee. Au cours des annees 2013 et 2014, 1479 personnes en provenance de 77 pays ont contribue 2985 sessions. Au cours de la meme periode 5738 sessions controles ont ete enregistrees par un ordinateur qui simulait un participant humain. Les resultats ont montre que la visibilite d'interference pendant les periodes de concentration
To investigate von Neumann’s proposal that an “extra-physical process” is involved in the measurement of a quantum system, an online experiment was conducted using a double-slit optical system. In a counterbalanced fashion, participants focused their attention toward or away from a feedback signal linked in real-time to the double-slit component of an interference pattern. A line camera continuously recorded the interference pattern at 4 Hz, and for each camera image fringe visibility was determined for the central 20 fringes. During 2013 and 2014, a total of 1,479 people from 77 countries contributed 2,985 test sessions. Over the same period 5,738 sessions were run as controls by a computer programmed to simulate human participants. The results showed that with human observers the fringe visibility at the center of the interference pattern deviated from a null effect by 5.72 sigma (p = 1.05×10), with the direction of the deviation conforming to the observers’ intentions. The same analysis applied to the control data resulted in an overall deviation of -0.17 sigma. After consideration of alternative explanations, these results were found to support von Neumann’s conclusion that the mind of the observer is an inextricable part of the measurement process. This type of experiment offers a means of empirically resolving longstanding questions about the role of consciousness in the physical world. Resume: Pour examiner si le concept de von Neumann en mecanique quantique d'une interaction de nature « non-physique » est mieux interpretee comme une forme passive d'observation ou comme une influence active, une experience a ete menee sur Internet en utilisant un systeme optique a double fente. Dans un protocole contrebalance, les participants ont concentre ou non leurs attentions sur un signal representant en temps reel le niveau d’interference du systeme de double fente. Une camera enregistrait en continu le motif d'interference a 4 Hz, et pour chaque image, la visibilite d’interference des 20 franges d’interference centrales a ete calculee. Au cours des annees 2013 et 2014, 1479 personnes en provenance de 77 pays ont contribue 2985 sessions. Au cours de la meme periode 5738 sessions controles ont ete enregistrees par un ordinateur qui simulait un participant humain. Les resultats ont montre que la visibilite d'interference pendant les periodes de concentration
Previously reported experiments suggested that interference patterns generated by a double-slit optical system were perturbed by a psychophysical (i.e., mind-matter) interaction. Three new experiments were conducted to further investigate this phenomenon. The first study con- sisted of 50 half-hour test sessions where participants concentrated their attention-toward or -away from a double-slit system located 3 m away. The spectral magnitude and phase associated with the double-slit component of the interference pattern were compared between the two attention condi- tions, and the combined results provided evidence for an interaction (effect size ¼� 0.73 6 0.14, p ¼ 2.4 � 10 � 7 ). One hundred control sessions using the same equipment, protocol and analysis, but without participants present, showed no effect (effect size ¼ 0.04 6 0.10, p ¼ 0.71). A Fraunhofer diffraction model was used to explore various interpretations of this outcome. This analysis suggested that the distribution of light between the two slits and the horizontal stability of the laser beam were the principle components of the optical system that were perturbed. The sec- ond experiment used a duplicate double-slit system and similar test protocol, but it was conducted over the Internet by streaming data to participants' web browsers. Some 685 people from six conti- nents contributed 2089 experimental sessions. Results were similar to those observed in the first experiment, but smaller in magnitude (effect size ¼� 0.09 6 0.02, p ¼ 2.6 � 10 � 6 ). Data from 2303 control sessions, conducted automatically every 2 h using the same equipment but without observ- ers showed no effect (effect size ¼� 0.01 6 0.02, p ¼ 0.61). Distance between participants and the optical system, ranging from 1 km to 18,000 km, showed no correlation with experimental effect size. The third experiment used a newly designed double-slit system, a revised test protocol, and a simpler method of statistical analysis. Twenty sessions contributed by 10 participants successfully replicated the interaction effect observed in the first two studies (effect size ¼� 0.62 6 0.22, p ¼ 0.006). V C 2013 Physics Essays Publication .( http://dx.doi.org/10.4006/0836-1398-26.4.553) Resume´: Des experiences realisees precedemment suggerent que des franges d'interferences generees par un systeme de double fente optique peuvent etre perturbees par des interactions psycho-physiques (c'est-a `-dire des interactions entre conscience et matiere). Trois nouvelles expe ´- riences ont emenees pour etudier ce phenomene. Dans la premiere e au cours de 50 seances d'une demi heure chacune, des participants ont concentreleurs attentions soit pour influencer un systeme de double fente situee a` 3 m de distance, soit pour ignorer ce meme systeme. L'ampleur et la phase spectrale associee aux franges d'interference ont ecompares entre les deux conditions de focalisation de l'attention, et les resultats combines sont compatibles avec l'hypothese d'une inter- action entre conscience et matiere (taille d'effet ¼� 0.73 6 0.14, p ¼ 2.4 � 10 � 7 ). De plus, l'effet n'est pas present quand la meme analyse est effectuee sur cents sessions controles utilisant le meme equipement et le meme protocole, mais fonctionnant en l'absence de participants (taille d'effet ¼ 0.04 6 0.10, p ¼ 0.71). Un modele de diffraction de Fraunhofer utilisepour explorer dif- ferentes interpretations de ce resultat suggere que la distribution de la lumiere entre les deux fentes et la stabilitehorizontale du faisceau laser sont les principaux composants du systeme optique qui ont eperturbes. La seconde experience utilise un systeme de double fente et un protocole de test similaire, mais elle a etemenee sur Internet en envoyant en temps reel les donnees du systeme de double fente aux navigateurs Web des participants. 685 personnes provenant de six continents ont contribue ´ 2089 sessions experimentales. Les resultats sont similaires ala premiere experience mais la taille d'effet est de plus faible amplitude (taille d'effet ¼� 0.09 6 0.02, p ¼ 2.6 � 10 � 6 ). Les don- nees de 2303 sessions de controle, realiseautomatiquement toutes les deux heures en utilisant le meme e mais sans observateurs n'ont montreaucun effet (taille d'effet ¼� 0.01 6 0.02, p ¼ 0.61). La distance entre les participants et le systeme optique, qui va de 1 km a ` 18,000 km, n'est pas correlee avec la taille de l'effet experimental. La troisieme experience utilise un systeme
An experiment we conducted from 2012 to 2013, which had not been previously reported, was designed to explore possible psychophysical effects resulting from the interaction of a human mind with a quantum system. Participants focused their attention toward or away from the slits in a double-slit optical system to see if the interference pattern would be affected. Data were collected from 25 people in individual half-hour sessions; each person repeated the test ten times for a total of 250 planned sessions. “Sham” sessions designed to mimic the experimental sessions without observers present were run immediately before and after as controls. Based on the planned analysis, no evidence for a psychophysical effect was found. Because this experiment differed in two essential ways from similar, previously reported double-slit experiments, two exploratory analyses were developed, one based on a simple spectral analysis of the interference pattern and the other based on fringe visibility. For the experimental data, the outcome supported a pattern of results predicted by a causal psychophysical effect, with the spectral metric resulting in a 3.4 sigma effect (p = 0.0003), and the fringe visibility metric resulting in 7 of 22 fringes tested above 2.3 sigma after adjustment for type I error inflation, with one of those fringes at 4.3 sigma above chance (p = 0.00001). The same analyses applied to the sham data showed uniformly null outcomes. Other analyses exploring the potential that these results were due to mundane artifacts, such as fluctuations in temperature or vibration, showed no evidence of such influences. Future studies using the same protocols and analytical methods will be required to determine if these exploratory results are idiosyncratic or reflect a genuine psychophysical influence.
An experiment was conducted to explore possible psychophysical influences on interference patterns generated by an optical double-slit system. The experiment was motivated by a proposed explanation of the quantum measurement problem by John von Neumann and others, namely that consciousness collapses the quantum wavefunction. The study design generated a single database partitioned into eight differential tests, four in experimental conditions where participants alternately directed their attention toward and away from the optical system, and four in sham conditions when no one was present. The planned analysis was comparison of means in attention-toward vs. attention-away conditions; a secondary analysis added later, but before the data were examined, was comparison of variances. After adjusting the eight mean comparisons for multiple testing, none were statistically significant, but one of the eight variance differences was suggestively significant.To date, 11 of 28 conceptual replications of this experiment, reported by four independent teams, have reported statistically significant outcomes (p < 0.05, two-tail), where only one would be expected by chance. Given the implications of psychophysical effects on our understanding of the role of consciousness in the physical world, we encourage others to attempt to replicate this experiment.
Grâce à leur grande efficacité et à leur aptitude à l’extensibilité, les bits quantiques supraconducteurs (qubits) sont parmi les principaux candidats pour la réalisation d’un ordinateur quantique. Toutefois, leur performance est freinée par les limites de la mesure dispersive, qui s’avère plus sujette aux erreurs que ce que prédit la théorie. Cette anomalie, restée inexpliquée pendant près de deux décennies malgré de nombreuses investigations, constitue un obstacle important à la mise en œuvre de ces qubits. L’expérience montre qu’à haute intensité, la mesure dispersive du transmon — le qubit supraconducteur le plus utilisé — perturbe l’état du qubit au-delà du déphasage attendu pour une mesure, ce qui entraîne une baisse notable de la fidélité. Au cours des deux dernières décennies, plusieurs modèles théoriques ont été proposés pour tenter d’expliquer ce phénomène, mais leurs conclusions ne s’accordent pas avec l’expérience. Dans le cadre de ma maîtrise, j’ai collaboré avec Marie Frédérique Dumas, Alexander McDonald, Manuel H. Muñoz-Arias, Cristóbal Lledó, Benjamin D’Anjou et Alexandre Blais afin de mieux comprendre les causes de l’échec de la mesure dispersive à haute intensité. Nos travaux ont permis de mettre en évidence le mécanisme sous-jacent à l’échec de la mesure dispersive à haute intensité : l’ionisation du transmon. Cette étude a abouti à l’élaboration d’un cadre théorique unifié, publié dans un article intitulé Measurement-induced transmon ionization [1], reposant sur trois modèles complémentaires : un modèle quantique statique intégrant explicitement le résonateur de mesure et le transmon, un modèle semi-classique traitant le champ du résonateur comme une pompe cohérente sur le transmon, et un modèle entièrement classique dans lequel le transmon est représenté comme un pendule. Notons que chacun de ces modèles conserve l’intégralité du potentiel en cosinus du transmon et aboutit à des prédictions cohérentes. Ce cadre permet d’identifier les résonances multi-photons à l’origine de l’ionisation, ainsi que d’estimer numériquement, avec grande précision, le seuil de photons critique nécessaire à ce processus — en accord remarquable avec les données expérimentales récentes. Ce mémoire présente en détail les deux derniers modèles, en mettant l’accent sur l’approche classique, à laquelle j’ai consacré l’essentiel de mes travaux de recherche. Le domaine des circuits quantiques supraconducteurs a connu des progrès considérables ces dernières années, au point où ces circuits sont désormais largement considérés comme l’approche la plus prometteuse pour construire un ordinateur quantique. L’amélioration des temps de cohérence de ces qubits, de la fidélité des portes, ainsi que de la fidélité de lecture, a rendu ces systèmes suffisamment robustes pour qu’il soit possible de les rendre accessibles via internet. De même, des systèmes comptant plusieurs centaines de qubits sont désormais disponibles, et les premiers qubits logiques ont été réalisés expérimentalement. Malgré ces avancées remarquables, le défi de construire un processeur quantique à grande échelle reste redoutable. En effet, pour atteindre la tolérance aux fautes, il demeure essentiel d’améliorer chaque composant et chaque opération des dispositifs actuels. Il ne suffit pas de simplement mettre à l’échelle la technologie existante. Les opérations principales sur les qubits sont l’initialisation, les opérations à un qubit, les opérations à deux qubits et la mesure. Parmi celles-ci, la mesure est l’opération la plus lente et la moins fidèle. Cette sous-performance de la mesure des qubits supraconducteurs a été observée dès la première expérience sur l’architecture circuit QED en 2004. Ces observations sont restées sans explication complète pendant près de 20 ans. Dans ce mémoire, j'apporte une réponse à cette question, considérée comme la plus importante encore ouverte dans le domaine. Les résultats présentés font partie d’un article publié dans Physical Review X, dont je suis co-premier auteur [M. Frédérique Dumas*, B. Groleau-Paré*, Alexander McDonald, Cristóbal Lledó, Manuel Muñoz-Arias, Benjamin D’Anjou, A. Blais, Phys. Rev. X 14, 041023 (2024)]. Le problème de la sous- performance de la mesure en circuit QED y est étudié sous trois angles : quantique, semi- classique et classique. Bien que cet article résume les travaux collaboratifs d’une équipe de sept personnes à l’IQ sur une période de près de deux ans, j'ai mené de front l’approche classique, qui est décrite dans ce mémoire. Bref, bien qu’il ait bénéficié de l’environnement d’une équipe, les résultats présentés ici ont été développés par moi-même. Après une introduction aux circuits quantiques supraconducteurs, le chapitre 3 présente l’approche de Floquet pour étudier la mesure du transmon. Cette discussion aide à mettre en place les idées fondamentales et offre une base de comparaison pour les résultats de l’approche classique. Le chapitre 4 présente l’analogue classique du transmon entretenu et discute de l’émergence du chaos dans ce modèle. La quantification de Bohr-Sommerfeld y est introduite, ce qui permet de relier le modèle classique au problème de la mesure dans le système quantique. L’approche des « sapins » est ensuite introduite pour faciliter l’analyse de ce système complexe. À ma connaissance, il s'agit d'une approche originale. Le chapitre 5 traite de l’extraction du nombre critique de photons basée sur l’émergence du chaos. Ces résultats sont comparés avec succès à une expérience de l’équipe de Google, présentée dans l’article mentionné plus haut. Mais ce chapitre va bien au-delà de ce qui est présenté dans le PRX, en proposant des idées nouvelles développées lors de la rédaction de ce mémoire.
Développements théoriques et expérimentaux pour un laser superradiant continu Le domaine de la métrologie du temps et des fréquences a connu des avancées majeures grâce aux progrès dans la stabilisation des lasers, les peignes de fréquences optiques et le contrôle des atomes ultrafroids. Ces développements ont permis des applications allant de la navigation à la physique fondamentale, où la mesure du temps atteint une précision inédite. Au cœur de ces réalisations se trouvent les horloges atomiques, dont la fréquence repose sur une transition stable. Les horloges optiques, basées sur des transitions de très haute fréquence, dépassent aujourd’hui les standards micro-ondes, atteignant des incertitudes relatives de l’ordre de 10⁻¹⁹.Malgré leurs performances remarquables, les horloges optiques actuelles sont limitées par le bruit thermique des cavités utilisées comme références passives. Pour dépasser cette limite, des approches actives ont été explorées, telles que les lasers superradiants, où les atomes eux-mêmes génèrent le champ optique stable. Fonctionnant dans le régime de mauvaise cavité, ces lasers émettent à une fréquence indépendante des fluctuations de la cavité, ouvrant la voie à une nouvelle génération de références optiques.Ce travail s’inscrit dans le développement d’un laser superradiant continu à base d’atomes de ytterbium froids. L’objectif est de démontrer une émission superradiante stable sur la transition étroite à 578 nm en régime continu, à l’aide d’un transport atomique séquentiel et d’un repompage incohérent. L’installation expérimentale comprend un four atomique, un ralentisseur Zeeman, un piège magnéto-optique et une cavité optique de haute finesse fonctionnant en régime de mauvaise cavité.Les premières optimisations ont porté sur le ralentisseur Zeeman, dont le profil de champ magnétique et l’alignement ont été ajustés, augmentant le flux atomique et le nombre d’atomes piégés (≈ 10⁸ à 100 µK). Une attention particulière a ensuite été portée à la caractérisation du transport atomique, utilisant un faisceau gaussien et un faisceau de Bessel contrôlé par des cristaux biréfringents, permettant de délivrer successivement des ensembles atomiques vers la cavité.Parallèlement, un schéma de repompage incohérent a été conçu et modélisé pour maintenir l’inversion de population pendant l’émission. Basé sur un modèle réaliste à plusieurs niveaux, il montre qu’un équilibre stationnaire peut être atteint pour des taux de repompage optimaux, fournissant les bases quantitatives de la mise en œuvre expérimentale.Sur le plan théorique, le modèle atome-cavité a été étudié via une équation maîtresse de Lindblad. Les analyses numériques, réalisées avec un programme Python développé pour ce travail, montrent que notre dispositif, opérant dans le régime de mauvaise cavité, peut produire des puissances de l’ordre du picowatt et des largeurs de raie sub-millihertz, compatibles avec une détection optique sensible.Une configuration de transport séquentiel avec deux sites atomiques, décalés symétriquement par rapport à la résonance de la cavité, a également été étudiée. Dans le régime où les sites se synchronisent, la fréquence centrale du spectre suit la moyenne pondérée de leurs fréquences. Le système se comporte comme lorsque les deux sites sont en résonance : au-delà du seuil critique d’atomes, la largeur de raie atteint le millihertz. Cela montre que le désaccord entre sites détermine directement la fréquence d’émission et doit être contrôlé avec la précision requise pour la stabilité visée du laser superradiant.Les travaux présentés sur l’optimisation du dispositif expérimental et la simulation de la dynamique atome-cavité établissent les conditions nécessaires à la réalisation d’un laser superradiant continu. Bien que l’émission superradiante n’ait pas encore été observée, ces résultats tracent une feuille de route claire vers la mise en œuvre d’une horloge optique active à haute stabilité en fréquence.
Les modes de Laguerre-Gauss sont une des solutions de l’équation de propagation de la lumière dans l’approximation paraxiale en coordonnées cylindriques. Ces modes sont caractérisés par deux indices (azimutal et radial) et présentent des propriétés particulières : une structure en forme d’anneau et une phase en hélice. Ces propriétés ont été mises au profit pour plusieurs applications allant de la microscopie à l’astronomie. Cette thèse a été dédiée à l’étude de ces modes et à leur application dans le domaine des atomes froids. Dans un premier temps, la pureté des modes fabriqués par la méthode d’holographie numérique a été étudiée, ainsi que le rôle que la pureté joue dans leur propagation. Ces modes ont été ensuite utilisés pour l’obtention une source d’atomes froids brillante. Depuis plus de 20 ans, des efforts considérables ont été faits pour obtenir des sources d’atomes froids les plus brillantes et les plus compactes possibles. Un piège magnéto-optique à deux dimensions (2D-MOT) est couramment utilisé pour obtenir une source continue d’atomes froids avec un flux important de l’ordre de 1010 atomes/s. Toutefois, le jet atomique ainsi obtenu présente une divergence d’environ 40 mrad ce qui contraint l’utilisateur à travailler près de la sortie mais avec un accès optique limité ou bien loin où il a un bon accès optique mais au prix d’une densité atomique plus faible. Une alternative est présentée, dans laquelle un mode de Laguerre-Gauss est utilisé pour canaliser les atomes à la sortie d’un 2D-MOT. Le mode de Laguerre-Gauss réalise un piégeage dipolaire qui confine les atomes sont le centre noir du mode, ce qui présente l’intérêt de limiter le chauffage dû à l’absorption/émission de la lumière. Ainsi, puisque les modes de Laguerre-Gauss gardent leur forme au cours de leur propagation, les atomes sont canalisés sur une distance de plusieurs décimètres. Nous avons étudié le fonctionnement de ce système pour différents ordres du mode de Laguerre-Gauss et différentes fréquences, et nous avons montré que ce système est efficace et permet d’atteindre un gain en densité d’un facteur 200 par rapport au cas d’un 2D-MOT conventionnel. Un cas particulier est aussi présenté, dans lequel la fréquence du mode de Laguerre-Gauss est choisie pour effectuer non seulement la canalisation des atomes mais aussi leur repompage, ce qui conduit à une simplification importante du système. D’un autre côté, les modes de Laguerre-Gauss sont d’un grand intérêt dans le domaine de l’information et la cryptographie quantique car ils peuvent être utilisés pour encoder et enregistrer l’information. Pour cela, il est indispensable de pouvoir les détecter de façon non-équivoque. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la détermination de ces modes. Jusqu’à maintenant, les techniques de détection ont permis de mesurer l’indice azimutal mais peu d’entre elles mesurent l’indice radial. Si on est capable de mesurer aussi l’indice radial, il peut être utilisé comme une nouvelle variable pour le codage et l’enregistrement de l’information. Sous cette motivation, une technique basée sur la transformation du mode de Laguerre-Gauss par un système astigmatique a été mise au point pour déterminer les deux indices qui le caractérisent. Nous avons montré que cette technique peut aussi être utilisée pour optimiser expérimentalement la fabrication des modes de Laguerre-Gauss d’ordre élevé les plus purs possibles.