Cours : Cinquante ans de révolutions en physique atomique et en optique atomiqueLe dernier cours de la chaire de Physique quantique (2001-2015), clôturant quinze années d’enseignement portant sur l’optique et l’information quantiques, a passé en revue les grandes avancées de la physique atomique et de l’optique quantique au cours du dernier demi-siècle. Cette période a connu de profondes révolutions dans ces domaines de la physique, largement dues à l’invention en 1960 du laser et aux dévelo...
Cours : Cinquante ans de révolutions en physique atomique et en optique atomiqueLe dernier cours de la chaire de Physique quantique (2001-2015), clôturant quinze années d’enseignement portant sur l’optique et l’information quantiques, a passé en revue les grandes avancées de la physique atomique et de l’optique quantique au cours du dernier demi-siècle. Cette période a connu de profondes révolutions dans ces domaines de la physique, largement dues à l’invention en 1960 du laser et aux dévelo...
Cryptographie quantique, simulation quantique, métrologie quantique, ordinateur quantique : nombreux sont les champs de recherche actuels qui exploitent les propriétés quantiques de la lumière. Pourtant, la quantification du rayonnement en optique n'a pas toujours été une évidence. Jusqu'au début des années 1960, toutes les recherches menées dans ce domaine sont fondées sur la théorie classique de la lumière établie au XIXe siècle. La situation évolue en 1956 avec la découverte de l'effet Hanbury-Brown et Twiss, qui inaugure les expériences sur les statistiques de photons, puis en 1960 avec l'invention du laser, qui va apporter de profonds changements dans la pratique de l'optique. Ces deux événements incitent Roy Glauber à forger une nouvelle théorie quantique de la cohérence et à établir ainsi les fondements théoriques de l'optique quantique. Mais cette nouvelle façon de décrire le rayonnement ne fait pas l'unanimité : certains physiciens, dont Emil Wolf et Edwin Jaynes, soutiennent que l'approche semi-classique (où la matière est quantifiée, mais pas le rayonnement) demeure la plus pertinente pour rendre compte des phénomènes d'optique. Dans cette thèse, nous chercherons à comprendre comment la quantification du rayonnement va progressivement s'imposer en optique et comment l'optique quantique va se constituer comme champ de recherche. Nous nous concentrerons sur trois voies de développement de l'optique quantique, principalement aux États-Unis et en France. La première est celle de Leonard Mandel qui, d'abord réticent à la théorie quantique de la cohérence, va mener à l'Université de Rochester de multiples expériences démontrant le caractère quantique du rayonnement libre, comme l'« effet Hong-Ou-Mandel ». La seconde voie concerne la quantification du rayonnement en interaction avec la matière dans le domaine de la physique atomique, à travers les recherches de Claude Cohen-Tannoudji au Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne à Paris. La troisième porte sur les fondements de la mécanique quantique et sur les expériences sur les inégalités de Bell, en particulier celles de John Clauser et Alain Aspect. De façon plus générale, nous insisterons sur la diversité des facteurs - à la fois théoriques, techniques, sociologiques, économiques et institutionnels - qui ont permis l'émergence de l'optique quantique, afin de restituer toute la complexité de cet épisode crucial de l'histoire de la physique.
La physique quantique a apporté une révolution conceptuelle quant à la nature de notre monde et apporte aujourd’hui une révolution technologique. En effet, l’utilisation de l’information quantique promet des applications surclassant les machines actuelles, dites classiques. La théorie de l’information quantique en variable continue porte sur l’étude des possibilités qu’offre l’encodage de l’information dans des degrés de liberté continus de systèmes quantiques. Mathématiquement, cette théorie étend l’étude de l'information quantique aux états quantiques dans des espaces de Hilbert de dimension infinie. Elle offre des perspectives différentes de l’information quantique en variable discrète et est notamment adaptée à la description des états quantiques de lumière. L’optique quantique est ainsi une plateforme expérimentale naturelle pour développer des applications quantiques en variable continue. La thèse s’articule autour de trois questions principales : d’où provient l’avantage quantique, c est-à-dire la capacité des machines quantiques à surclasser les machines classiques ? Comment s assurer du bon fonctionnement d une machine quantique ? Quels avantages peut-on tirer de l'utilisation de l’information quantique ? Ces trois questions sont au cœur du développement des technologies quantiques, et nous y apportons plusieurs réponses dans le cadre de la théorie de l’information quantique en variable continue et de l’optique quantique linéaire.
La mécanique quantique est désormais une discipline scientifique de base, enseignée dans toutes les universités.Elle permet de rendre compte du comportement du monde microscopique avec une précision impressionnante, et en particulier du fonctionnement de tous les objets techniques (ordinateurs, téléphones mobiles, disques laser, etc.) que nous utilisons dans notre vie courante.Une pratique quotidienne de cette discipline permet au physicien d'acquérir une certaine maîtrise dans le maniement du formalisme quantique, une certaine intuition des erreurs qu'il ne faut pas commettre, de la démarche qu'il faut suivre pour parvenir au résultat correct.Cependant, lequel d'entre nous n'a pas ressenti, au moins une fois dans son parcours scientifique, un certain trouble concernant les fondements de la théorie quantique, l'impression qu'une formulation convaincante et satisfaisante de cette théorie restait encore à élaborer.Un grand nombre d'ouvrages d'enseignement de la mécanique quantique sont désormais disponibles, qui présentent en détail le formalisme quantique traditionnel et la manière dont il permet de rendre compte des propriétés des atomes et molécules, des corps solides et liquides, des interactions matière-rayonnement, et plus généralement du monde physique qui nous entoure.D'autres livres retracent l'histoire de l'élaboration de cette discipline, et décrivent les diverses étapes qui ont conduit à sa formulation moderne.Rares sont cependant ceux qui présentent, d'une part une revue des difficultés conceptuelles de la théorie, et d'autre part un panorama complet de toutes les tentatives de reformulation de la mécanique quantique ayant pour but de résoudre, au moins partiellement, ces difficultés.L'ouvrage présent de Franck Laloë répond à ces deux objectifs.Il introduit et discute en détail un certain nombre de résultats et de notions, comme le théorème d'Einstein-Podolsky-Rosen, le théorème de Bell, l'intrication quantique, qui illustrent clairement le caractère étrange du comportement quantique.Au cours des dernières décennies, des progrès expérimentaux importants ont été réalisés.Par exemple, il est devenu possible de suivre l'évolution en temps réel d'un atome unique.De nombreuses expériences, considérées comme des "expériences de pensée" par les pères fondateurs de
La physique quantique permet de comprendre en profondeur les phénomènes qui régissent le comportement des solides, des semi-conducteurs, des atomes, des particules élémentaires et de la lumière. Cette nouvelle édition contient trois chapitres entièrement re-rédigés, un nouveau chapitre sur la mécanique quantique relativiste (construction de Wigner et équation de Dirac), une sélection de corrigés d’exercices et de nombreuses mises à jour. Elle offre une approche originale permettant de traiter immédiatement et de façon simple des applications importantes comme l’atome à deux niveaux, le laser ou la résonance magnétique nucléaire. Le formalisme est ensuite développé en privilégiant l’utilisation des symétries et permet de traiter les applications usuelles comme le moment angulaire, les approximations semi-classiques, la théorie de la diffusion ou la physique des atomes et des molécules. L'ouvrage accorde aussi une large place à des domaines nouveaux apparus depuis une trentaine d’années et qui occupent aujourd’hui le devant de la scène : non-localité et information quantiques, refroidissement d’atomes par laser, condensats de Bose-Einstein, états du champ électromagnétique, sujets qui ne sont pas traités dans la plupart des manuels. Ce livre s’adresse aux étudiants de L3 et de master de physique et aux élèves des écoles d’ingénieurs. Il est également susceptible d’intéresser un large public de physiciens, chercheurs ou enseignants, qui souhaitent s’initier aux développements récents de la physique quantique.
La physique quantique permet de comprendre en profondeur les phénomènes qui régissent le comportement des solides, des semi-conducteurs, des atomes, des particules élémentaires et de la lumière. Cette nouvelle édition contient trois chapitres entièrement re-rédigés, un nouveau chapitre sur la mécanique quantique relativiste (construction de Wigner et équation de Dirac), une sélection de corrigés d’exercices et de nombreuses mises à jour. Elle offre une approche originale permettant de traiter immédiatement et de façon simple des applications importantes comme l’atome à deux niveaux, le laser ou la résonance magnétique nucléaire. Le formalisme est ensuite développé en privilégiant l’utilisation des symétries et permet de traiter les applications usuelles comme le moment angulaire, les approximations semi-classiques, la théorie de la diffusion ou la physique des atomes et des molécules. L'ouvrage accorde aussi une large place à des domaines nouveaux apparus depuis une trentaine d’années et qui occupent aujourd’hui le devant de la scène : non-localité et information quantiques, refroidissement d’atomes par laser, condensats de Bose-Einstein, états du champ électromagnétique, sujets qui ne sont pas traités dans la plupart des manuels. Ce livre s’adresse aux étudiants de L3 et de master de physique et aux élèves des écoles d’ingénieurs. Il est également susceptible d’intéresser un large public de physiciens, chercheurs ou enseignants, qui souhaitent s’initier aux développements récents de la physique quantique.
Les quasi-cristaux sont des solides ordonnés à longue distance sans symétrie de translation, présentant des symétries rotationnelles qui sont interdites pour les cristaux normaux, par exemple d'ordre 5, 7, 8, ... Leur découverte en laboratoire dans les années 1980 a entraîné un changement de paradigme en cristallographie, révolutionnant notre compréhension de la structure possible des solides. Depuis lors, les quasi-cristaux ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs propriétés intrigantes, notamment les quasi-particules phasoniques, les propriétés de transport, le spectre d'énergie complexe, l'ordre topologique non trivial et la localisation de type Anderson. Un outil puissant pour étudier les propriétés physiques des quasi-cristaux est la simulation quantique. Avec la réalisation de systèmes atomiques ultrafroids dans les années 1990 et les développements rapides qui ont suivi, un nouveau terrain de jeu pour la physique quantique à plusieurs corps s'est ouvert. En particulier, le contrôle précis des paramètres physiques et les différents outils de mesure dans un système atomique froid en font une plateforme prometteuse pour la simulation quantique.Un potentiel quasipériodique unidimensionnel dans les expériences sur les atomes froids peut être créé en superposant plusieurs faisceaux laser avec des périodes incommensurables.Au cours des dernières années, les atomes froids dans des potentiels quasipériodiques unidimensionnels ont été largement étudiés. Un réseau optique bidimensionnel formant un potentiel quasi-cristallin peut également être créé par certaines configurations géométriques de faisceaux laser. Cela a été proposé pour la première fois théoriquement en 2005 et réalisé dans des expériences sur les atomes froids en 2019, suivant une configuration proposée en 2013. La localisation de bosons faiblement interactifs dans ce système a été rapportée. Avec ces avancées dans les expériences, les études théoriques sur les atomes froids bidimensionnels dans des potentiels quasicristaux commencent également à gagner du terrain.Dans cette thèse, nous présentons une étude théorique de la simulation quantique de quasicristaux bidimensionnels avec des atomes froids. Nous discutons des propriétés des particules individuelles et des diagrammes de phase thermodynamiques pour des bosons bidimensionnels dans un potentiel quasi-cristallin peu profond.