L’expérience à choix différé de Wheeler (1978) permet de repositionner le débat Bohr-Einstein de 1927 sur la complémentarité onde-particule. Lors d’une telle expérience, on choisit de fermer ou non un interféromètre à sa sortie, alors que l’objet quantique est déjà en cours de route. Le mode fermé induit un comportement de type onde; le mode ouvert un comportement de type particule. Cette expérience à choix retardé a été réalisée pour la première fois en 2006 avec des photons uniques.
L’expérience à choix différé de Wheeler (1978) permet de repositionner le débat Bohr-Einstein de 1927 sur la complémentarité onde-particule. Lors d’une telle expérience, on choisit de fermer ou non un interféromètre à sa sortie, alors que l’objet quantique est déjà en cours de route. Le mode fermé induit un comportement de type onde; le mode ouvert un comportement de type particule. Cette expérience à choix retardé a été réalisée pour la première fois en 2006 avec des photons uniques.
La théorie quantique nécessite de renoncer à certaines images classiques héritées du sens commun. Elle stipule en particulier une description duale de la lumière et de la matière, présentant simultanément les propriétés d'une onde et d'une particule et conduisant ainsi à des représentations classiques de la réalité physique incompatibles. Le travail décrit dans cet ouvrage s'inscrit dans l'étude de la dualité onde-corpuscule pour un photon unique à l'aide d'une source de photons uniques fondée sur l'excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon très proche dans sa conception de celle des trous d'Young. Cette expérience nous permettra de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour aller un peu plus au cœur des problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons par la suite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée dite de “choix retardé” proposée par Wheeler au début des années soixante-dix. Dans cette expérience, la décision de fermer ou non l'interféromètre, et donc d'observer soit les interférences (associé à une propriété ondulatoire) soit le chemin suivi par le photon dans l'interféromètre (associé à une propriété de type corpusculaire), n'est prise qu'une fois que le photon a franchi l'élément séparateur à l'entrée de l'interféromètre. Les résultats de cette expérience nous permettront de conclure qu'aucune réalité physique classique ne saurait être attribuée au photon indépendamment de l'appareil de mesure, comme le stipule le principe de complémentarité.
Ce mémoire est divisé en deux parties indépendantes. Dans la première partie, nous étudions la dualité onde-corpuscule pour un photon unique émis par excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon réalisée avec un biprisme de Fresnel et par conséquent très proche conceptuellement de l'expérience standard des trous d'Young. Cette expérience permet de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour pénétrer davantage dans les problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons ensuite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée de "choix retardé", qui fût proposée par J. A. Wheeler au début des années soixante-dix. La deuxième partie du mémoire est dédiée à l'amélioration des performances de sources de photons uniques. Nous décrivons ainsi la mise au point d'une nouvelle source de photons uniques fondée sur l'émission d'un centre coloré individuel à base d'impuretés de nickel dans le diamant, dont les propriétés d'émission sont bien adaptées à la cryptographie quantique en espace libre. Nous avons également mis en oeuvre une technique originale qui améliore de façon significative la photostabilité de molécules individuelles à température ambiante.
La dualité onde/particule se teste la plupart du temps à l'aide de photons uniques envoyés dans un interféromètre de Mach-Zehnder équilibré. On peut alors observer des comportements considérés comme mutuellement exclusifs, à savoir ondulatoire (présence d'interférences) ou corpusculaire (absence d'interférences) selon la présence ou l'absence de la lame séparatrice en sortie de l'interféromètre. Nous présentons un nouveau type d'expérience de complémentarité dans laquelle cette lame séparatrice est préparée dans une superposition cohérente d'être à la fois présente et absente. Cette préparation est "activée" grâce à l'emploi de paires de photons intriqués en polarisation. L'un des photons, dit test, est envoyé dans l'interféromètre et est détecté alors que son jumeau, dit corroborant, permet de déterminer si un comportement de type ondulatoire, corpusculaire ou intermédiaire a été observé pour le photon test. En manipulant l'état de polarisation du photon corroborant et la phase de l'interféromètre du photon test, nous observons une transition continue entre aspects ondulatoire et corpusculaire, signature forte de la notion de complémentarité introduite par Bohr et donc de la non exclusivité de ces comportements.
Expériences d'optique quantique électronique à l'échelle d'une seule particule Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons.Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide.Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons.En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques.Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique.Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs.Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique.En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante.Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques.Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille.Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques.Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique.Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel.Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son.En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle.Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.
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.
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.