Messager de la lumière, jusqu’au sacrifice, le photon meurt en (dé)livrant son information

 Capturer un insaisissable photon, observer cet infime grain de lumière durant tout le cours de son existence alors qu'un simple regard suffit à l'annihiler. Ce rêve de physicien semblait si inaccessible qu'Albert Einstein en avait fait une"expérience de pensée", une de ces hypothèses où l'imagination du génie éprouvait la validité des théories. Une équipe française du laboratoire Kastler-Brossel (Ecole normale supérieure, Collège de France, CNRS, université Paris-VI) vient de la rendre réelle grâce à un "chef-d'oeuvre expérimental", selon un commentaire indépendant des travaux publiés dans Nature du jeudi 15 mars.

Son dispositif permet, pour la première fois, d'étudier un photon sans que cela revienne à autopsier un cadavre. Messager de la lumière jusqu'au sacrifice, le corpuscule disparaît en effet en livrant son information. Nos yeux, comme les détecteurs des scientifiques, l'absorbent irréversiblement en l'enregistrant. Nous ne voyons un objet dans la durée que parce que des photons toujours nouveaux portent son image vers notre oeil.

A la différence des particules élémentaires de la matière, ces grains de lumière ne peuvent donc supporter la répétition des mesures scientifiques, la première d'entre elles les détruisant. "Ils sont faciles à détecter, mais nous ne pouvions que les décrire au passé, explique Jean-Michel Raimond, coauteur de l'article dont les premiers signataires sont Sébastien Gleyzes et Stéphane Kuhr. C'est ce qui fait tout l'intérêt de notre expérience, qui permet une analyse in vivo." "Nous réfléchissions à ce dispositif de mesures non destructrices depuis plus de quinze ans, dit Serge Haroche, qui cosigne également l'étude. Nous n'avons réussi qu'aujourd'hui, grâce à une conjonction d'avancées techniques."

La supraconductivité, qui se manifeste à des températures très proches du zéro absolu (- 273,15 ^°C) a permis aux chercheurs d'accomplir le premier pas. Grâce à ce phénomène, ils ont pu réaliser une boîte, une "cavité" formée de deux miroirs en niobium, ultra-réfléchissants et refroidis à quelques dixièmes de degrés du zéro absolu. "Si la température pouvait y être nulle, il ne se passerait plus rien dans la boîte, explique Michel Brune, coauteur. Mais ce froid presque parfait n'a pas éliminé un rayonnement thermique résiduel qui subit des fluctuations." Selon les calculs précis de la physique quantique, ces fluctuations ont 5 % de chances de conduire, à chaque instant, à la formation d'un photon unique.

Apparu dans la boîte grâce à ce "saut quantique", ce corpuscule, qui correspond à une quantité minimale d'énergie (un quantum, selon le terme qui a donné son nom à la théorie), s'y retrouve piégé. A la vitesse de la lumière, il rebondit plus d'un milliard de fois entre les deux miroirs, pendant une durée de vie moyenne de 0,13 seconde, qui lui permet de parcourir l'équivalent de la circonférence de la Terre (40 000 km). Puis il disparaît dans un nouveau saut quantique, la plupart du temps absorbé par les imperfections des miroirs.

Comment vérifier, de l'extérieur, que ce qui se passe dans la boîte correspond bien aux prédictions théoriques ? Pour y parvenir, les physiciens ont eu recours aux vertus du rubidium. La régularité du battement des électrons, au sein des atomes de ce métal, les pose en élément central des horloges atomiques. Les chercheurs leur ont trouvé une autre qualité : ils peuvent croiser un photon sans l'absorber. La seule modification pour les électrons du rubidium sera un infime retard dans leur battement de métronomes.

Dès lors, l'idée a été de faire traverser le piège glacial par un flux d'atomes de rubidium, à la queue leu leu. "Nous les mesurons à l'entrée et à la sortie, explique M. Brune. Tant qu'un photon n'est pas apparu, ils restent en état 0. Dès qu'il est là, ils passent en état 1, jusqu'au retour à la normale qui signale la disparition du photon." L'expérience a ainsi pu confirmer, en temps réel, les hasards des sauts quantiques qui conduisent à la naissance puis à la mort d'un photon unique. Celui-ci a pu être mesuré des centaines de fois sans destruction. Conformément aux prévisions, certains captifs ont dépassé leur espérance de vie moyenne. L'un d'eux, baptisé Mathusalem au sein de l'équipe, a même tenu une demi-seconde.

Les chercheurs ont également expérimenté avec succès une technique qui permet de ne pas avoir à patienter et de déposer d'emblée un photon dans sa cage, grâce à un premier atome, chef de file spécialement préparé pour cette tâche. A l'avenir, en faisant apparaître davantage de grains de lumière dans le piège, ils espèrent aussi pouvoir mieux étudier une des vieilles douleurs d'Einstein, après avoir réalisé son rêve. Ils pourront explorer la frontière, pour l'heure encore floue, entre les phénomènes quantiques, si déroutants pour le sens commun, et ceux, plus classiques, qui prévalent à nos échelles.

Jérôme Fenoglio , LE MONDE 15.03.07

Illustration : Claude Pouget