Des chercheurs observent la dualité onde-particule de deux photons

Fig. 1. Schéma de notre dispositif expérimental utilisant le MZI pour les observations de WPS de photons. Crédit :Zhong-Xiao Man

Comprendre la nature du comportement des objets quantiques est la condition préalable à une description raisonnable du monde quantique. Selon que l'interférence peut être produite ou non, l'objet quantique est doté de caractéristiques doubles d'onde et de particule, c'est-à-dire ce que l'on appelle la dualité onde-particule (WPD), qui s'observe généralement dans ce que l'on appelle mutuellement. des arrangements expérimentaux exclusifs au sens du principe de complémentarité de Bohr.

Le physicien théoricien John Wheeler a proposé l'expérience de choix retardé dans les années 1980, soulignant que les méthodes utilisées pour observer les photons détermineront en fin de compte si leur comportement ressemble à celui des particules ou des ondes.

En 2011, Ionicioiu et Terno ont proposé une version quantique de l'expérience de choix retardé, par laquelle le photon peut être forcé dans un état superposé de particule et d'onde et présente un morphing continu entre ces deux côtés avec modification du paramètre de contrôle de l'ancilla.

Dans une étude récente publiée dans Physical Review A , nous avons développé une théorie et réalisé des expériences pour étudier les comportements doubles d'un et deux photons en tant qu'onde ou particule, en nous appuyant sur la configuration schématiquement esquissée sur la figure 1 et détaillée sur la figure 2.

Fig. 2. Dispositif expérimental pour l'observation de différents comportements de photons. Crédit :Zhong-Xiao Man

En utilisant la configuration proposée, nous avons pu observer les comportements purement ondulatoires, purement particulaires ou de type onde-particule-superposition d'un photon ou de deux photons en ajustant un seul paramètre de contrôle classique, α, qui est proportionnel au réflectivité du séparateur de faisceau que nous avons ajouté à l'interféromètre Mach-Zehnder.

Nous avons constaté que les longueurs d'onde d'un et de deux photons dans les états de superposition onde-particule restent les mêmes que celles des états d'onde pure. La visibilité des interférences dans le cas à deux photons est toujours inférieure à celle dans le cas à un photon. Tous les résultats expérimentaux concordent parfaitement avec les prédictions théoriques, certifiant la pertinence du dispositif que nous avons proposé.

Notre schéma d'expérience à choix retardé adopte un scénario de préparation et de mesure indépendant du dispositif pour tester le modèle à variables cachées avec un contrôle purement classique. Nous avons calculé les témoins dimensionnels correspondants et révélé la violation du témoin dimensionnel linéaire dans une certaine gamme de paramètres, démontrant l'impossibilité des modèles à variables cachées. Bien que dans ce travail nous ayons considéré les photons, des résultats similaires s'appliqueraient également aux particules de matière.

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Plus d'informations : Qing-Feng Xue et al, Superpositions onde-particules à un et deux photons :théorie et expérience, Physical Review A (2023). DOI :10.1103/PhysRevA.108.022223

Informations sur le journal : Examen physique A