Et les rayons du Soleil devinrent quantiques
Des photons solaires ont été modifiés pour se comporter comme ceux d’un laser.
Lever de soleil au-dessus de l’observatoire du mont Mauna Kea (Hawaï), le 14 juillet. Caleb Jones / AP Le Soleil nous avait caché ça. Sa lumière est en fait quantique. Non pas, comme on le dit couramment à propos de cet adjectif, que l’étoile pourrait être à la fois éteinte et allumée, mais que ses rayons peuvent se comporter comme les grains de lumière, ou photons, d’un laser de laboratoire. « La lumière du Soleil peut servir à des expériences d’optique quantique !, résume Chao-Yang Lu, coauteur à l’université de science et technologie de Chine à Shanghaï de cette démonstration publiée dans Physical Review Letters le 21 août et cosignée par le prolixe et reconnu physicien chinois Jian-Wei Pan. Deux expériences spectaculaires Ces travaux pourraient permettre des communications secrètes, par l’échange de clés de chiffrement de messages, grâce à notre étoile. Pour l’instant, l’équipe a utilisé les photons solaires ayant voyagé environ 150 millions de kilomètres « aussi facilement » que ceux d’un laser sur Terre, pour se livrer à deux expériences spectaculaires et proprement quantiques. La première consiste à envoyer à 45 degrés sur une lame de verre semi-transparente deux photons venant chacun d’un côté de cette séparation. La lumière peut la traverser ou s’y réfléchir. En sortie, plusieurs configurations sont a priori possibles : un photon traverse quand l’autre est réfléchi, deux photons traversent, deux photons se réfléchissent sur la lame… Mais, si la lumière est quantique, alors les deux photons sortent ensemble du même côté. L’un traverse, l’autre est réfléchi. C’est l’effet Hong-Ou-Mandel (HOM), observé pour la première fois en 1987. La condition est que ces deux photons soient rigoureusement indiscernables. « Les expérimentateurs n’arrêtent pas de trouver des nouvelles variantes de l’effet HOM. Le résultat n’est donc pas surprenant. Mais c’est un tour de force expérimental », affirme le physicien Christoph Westbrook « La lumière solaire est plus “sale” que celle d’un laser car elle provient d’un objet chauffé à haute température, rappelle Chao-Yang Lu. Son spectre est très large et complexe, d’autant que les photons traversent aussi l’atmosphère. » Mais, malgré des perturbations qui empêchent les propriétés quantiques de se manifester, comme la grande diversité des couleurs de la lumière solaire ou la température qui fait varier le nombre de photons, les chercheurs sont parvenus à fabriquer des photons solaires en tous points identiques à des photons de laboratoire parfaitement contrôlés. Cela en filtrant les fréquences, en atténuant la luminosité, en synchronisant les arrivées… Résultat, les jumeaux sortent tous les deux du même côté, comme prévu par la mécanique quantique.