Image 1 : esquisse schématique du processus qui produit les états « compressés ». Un champ de pompe ultracourt est envoyé dans un cristal non linéaire, « serrant » le vide. Différentes zones du champ sont redistribuées (accélérées ou décélérées) à l'intérieur du cristal (voir les lignes grises dans le plan horizontal). Par ailleurs, l'intensité du champ E0 (amplitude des fluctuations du vide) est augmentée ou diminuée (axe z). Crédit :Kizmann et al.
Certaines des plus grandes questions sans réponse sur la nature de l'univers sont liées à la lumière, le vide (c'est-à-dire l'espace où il n'existe ni matière ni rayonnement), et leur rapport au temps. Autrefois, les physiciens et les philosophes ont abordé une variété de questions complexes, par exemple, quelle est la nature du vide, et comment la propagation de la lumière est-elle liée au temps qui passe ?
Des chercheurs de l'Université de Constance ont récemment mené une étude explorant les états quantiques de la lumière et les fluctuations du vide, ainsi que leur interaction avec le temps. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , introduit un nouveau cadre théorique pour décrire les états quantiques de la lumière et du vide sur des échelles de temps ultracourtes.
L'étude des chercheurs se concentre sur « la lumière comprimée, " qui est essentiellement composé d'impulsions lumineuses avec des fluctuations électromagnétiques redistribuées ou " pressées ". Kizmann et ses collègues ont pu dévoiler l'existence d'une dépendance directe entre les champs électromagnétiques de la lumière ou du vide et du temps.
« Vers 2015, nos collègues le professeur Alfred Leitenstorfer et son groupe, également de l'Université de Constance, ont été les premiers à démontrer expérimentalement que les fluctuations du vide de la lumière peuvent être mesurées directement, " Matthias Kizmann l'un des chercheurs qui a réalisé l'étude, dit Phys.org. "Depuis, nous nous sommes intéressés au développement d'une nouvelle théorie pour décrire les fluctuations du vide se produisant sur de très courtes durées. Cela nous a conduit à la question de savoir si les fluctuations du vide pouvaient également être manipulées sur de très courtes durées pour générer ce que l'on appelle la lumière comprimée."
Dans leur papier, les chercheurs décrivent l'interaction entre un champ fort appelé champ "pompe", et le vide électromagnétique à l'intérieur d'un cristal non linéaire. À la suite de cette interaction, le champ redistribue les fluctuations du vide dans le temps, résultant en des intervalles de temps dans lesquels ces fluctuations sont soit renforcées, soit réprimées. Ce processus est connu sous le nom de compression.
"D'habitude, il faut calculer l'ensemble du champ électrique pour décrire les effets qui en résultent, mais maintenant nous avons trouvé comment décrire la compression comme un changement dans l'écoulement du temps, " Kizmann a expliqué. " Les états comprimés appartiennent à une classe plus large d'états de lumière dits non classiques. Ces types d'états présentent diverses caractéristiques fascinantes et nouvelles par opposition à la lumière laser plus classique. En tant que tel, les états de lumière non classiques jouent un rôle important dans le développement de technologies futures dans le domaine de l'information quantique ou de la spectroscopie quantique.
Kizmann et ses collègues ont rassemblé des observations intéressantes décrivant comment la lumière et le vide sont liés au temps. Ils ont développé un modèle physique qui peut être utilisé pour décrire les états quantiques du champ électromagnétique pour la lumière et le vide sur des échelles de temps ultracourtes. Leur article décrit également comment le champ électromagnétique dans le vide, connu sous le nom de fluctuations du vide, peut être manipulé.
Essentiellement, la lumière est constituée d'ondes, ou des champs électriques et magnétiques oscillants. Dans le 19ème siècle, les gens croyaient que dans le noir, ces champs sont égaux à zéro. Théorie des quanta, cependant, déclare qu'un espace vide sombre n'est en fait pas entièrement vide, car il contient de petites fluctuations qui provoquent de légers mouvements dans les champs, connu sous le nom de fluctuations du vide. Ces fluctuations sont connues pour être redistribuées d'une variable à une autre (par exemple des champs électriques aux champs magnétiques), qui est la compression du vide.
"Nous avons étudié comment les fluctuations du vide peuvent être manipulées dans le temps et avons constaté que nous pouvons également redistribuer les fluctuations d'un moment à un autre, " Guido Burkard, chercheur principal pour l'étude, dit Phys.org. "Il s'avère que l'écoulement du temps vu de l'impulsion lumineuse peut être modifié dans un matériau optique non linéaire, et ce changement dans l'écoulement du temps est directement lié au changement des fluctuations."
Les observations recueillies par Kizmann, Burkard et leurs collègues présentent certaines similitudes avec la relativité du temps dans la théorie de la relativité. Dans leur papier, ils font une analogie entre la mécanique quantique et la théorie de la relativité, deux domaines de la physique que les études antérieures ont souvent eu du mal à concilier. Leurs observations et l'analogie qu'ils ont présentées pourraient finalement améliorer notre compréhension actuelle de la relation entre la physique quantique et la relativité. Les chercheurs pensent également que des impulsions ultracourtes de lumière quantique comprimée pourraient bientôt être démontrées et observées en laboratoire.
"Nous pensons que les états de lumière quantique d'une durée d'une minute jusqu'à une femtoseconde (10 -15 secondes) sera bientôt réalisé et caractérisé expérimentalement, " Andreï Moskalenko, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Ensuite, ils peuvent être utilisés comme un nouvel outil quantique en spectroscopie ultrarapide, sonder les processus de la matière sur des durées aussi courtes. Cela donnerait accès à une pléthore actuellement cachée mais très importante de phénomènes ultrarapides, qui déterminent les propriétés clés des nouveaux dispositifs quantiques."
L'étude offre de nouvelles perspectives fascinantes sur les états quantiques de la lumière et du vide, et leur rapport au temps. La théorie qu'ils ont développée pourrait finalement faciliter l'utilisation d'états quantiques de la lumière dépendant du temps dans les applications d'optique quantique et d'information quantique. Dans leurs futurs travaux, les chercheurs prévoient d'approfondir ce sujet, étudier la relation entre les légers mouvements qui se produisent dans le vide et un phénomène appelé intrication quantique.
"Nous sommes curieux de savoir comment ces redistributions de fluctuations quantiques sont liées à l'intrication quantique, le phénomène qui alimente les ordinateurs quantiques et représente une ressource pour une communication quantique sécurisée., " a déclaré Burkard. " Nous aimerions également savoir comment mesurer (c'est-à-dire " regarder ") les champs de vide influence ces fluctuations, et comment les états comprimés peuvent être utilisés pour la spectroscopie ultrarapide."
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