Section 04 Atomes et molécules, optique et lasers, plasmas chauds

I. Processus fondamentaux en physique quantique ; physique atomique, atomes froids, gaz quantiques ; métrologie ; information quantique, optique quantique

A. Gaz quantiques

Depuis l'observation de la condensation de Bose-Einstein de gaz d'alcalins ultrafroids à la fin du siècle dernier, le domaine des gaz quantiques n'a cessé de progresser avec des percées remarquables.

Les expériences de condensation de Bose-Einstein ont été réalisées avec diverses espèces atomiques mais aussi avec des systèmes non atomiques. Par exemple, des condensats de polaritons, quasi-particules issues du couplage fort entre le mode d'une cavité optique et un exciton, ont été réalisés dans des microstructures à des températures relativement élevées. La maîtrise des condensats de Bose-Einstein atteint aujourd'hui un tel degré de maturité qu'il est possible de les guider dans l'espace (expériences de transport quantique) ou de concevoir des expériences d'ingénierie atomique. Ainsi l'implémentation de lasers à atomes a permis d'étudier l'interaction d'une onde de matière avec des défauts localisés et de mettre en évidence des phases topologiques jamais observées. La condensation dans les micropièges offre une ouverture prometteuse à la création d'états quantiques intriqués. Les atomes froids sont aussi un outil performant pour l'information et l'optique quantique et pour la métrologie.

L'un des principaux atouts du domaine des gaz quantiques est une interaction particulièrement fructueuse entre théorie et expérience. Dans ce cadre, des résultats importants ont été obtenus ces dernières années dans le domaine des gaz de bosons et fermions en interaction forte. Parmi les résultats marquants, les équations d'état ont été mesurées avec une précision de quelques pourcents et un comportement de liquide de Fermi a pu être mis en évidence. Grâce aux progrès de la technique de Monte-Carlo diagrammatique, l'équation d'état du gaz de Fermi unitaire a été obtenue pour la première fois dans l'espace continu. La superfluidité BKT d'un gaz de bosons 2D a été directement mise en évidence en observant la dynamique des vortex. L'universalité de la transition BKT en présence de désordre a aussi été étudiée par des nouvelles méthodes de Monte-Carlo quantique.

En atteignant le régime des fortes corrélations, les gaz et fluides quantiques sont devenus des systèmes modèles pour simuler le comportement quantique de systèmes plus complexes ou difficiles à réaliser expérimentalement. Le contrôle fin des paramètres microscopiques (paramètres du réseau optique, force de l'interaction, désordre) des gaz quantiques mène à un nouveau paradigme, où un système physique est utilisé comme simulateur quantique pour réaliser à la demande un hamiltonien donné. Les atomes froids permettent ainsi de résoudre des problèmes qui sont apparus dans d'autres domaines de la physique, notamment en matière condensée. Par exemple, les avancées réalisées sur la simulation du magnétisme classique et quantique avec un gaz sur réseau ouvrent des perspectives très importantes pour explorer des phénomènes critiques fondamentaux. Les phases des systèmes magnétiques sont nombreuses, avec pour dénominateur commun les fortes fluctuations quantiques des moments magnétiques de chaque atome. C'est dans ce cadre que des fluides quantiques dipolaires ont été réalisés avec des atomes de fort moment magnétique, où l'interaction dipolaire longue portée joue le rôle de l'interaction d'échange. Les atomes de Rydberg et les molécules polaires représentent d'autres exemples de systèmes caractérisés par le caractère anisotrope et à longue portée de l'interaction et pour lesquels des phases quantiques exotiques ont été prédites.

Le confinement en dimension réduite et/ou en présence de champs de jauge artificiels rend maintenant possible la réalisation de systèmes où les fluctuations quantiques ou thermiques jouent un rôle important, conduisant à des effets au-delà du régime de champ moyen désormais bien maîtrisé. Le contrôle dépendant du temps des paramètres dans les gaz quantiques permet enfin la préparation contrôlée de systèmes hors-équilibre. En parallèle, le développement de nouveaux outils théoriques (t-DMRG, Monte-Carlo dynamique) ouvre la voie à l'exploration et à la modélisation de la relaxation vers l'équilibre et de la propagation des corrélations quantiques dans ces systèmes.

D'importantes avancées technologiques permettent actuellement de refroidir et piéger des mélanges de bosons et fermions en dessous de la température de dégénérescence quantique. Des projets prometteurs sont en cours sur l'étude de mélanges d'atomes différents ou d'isotopes, en trois dimensions et en dimension réduite. À côté de l'étude d'un comportement quantique complexe, le refroidissement par laser s'ouvre à d'autres systèmes : antimatière, molécules et solides, applications industrielles.

Le domaine des molécules froides ouvre de nouvelles possibilités par rapport aux atomes. Les molécules possèdent une structure interne très riche et peuvent présenter des interactions anisotropes et à longue portée. Le caractère à longue portée de ces interactions rend les molécules froides extrêmement intéressantes comme briques de base d'un ordinateur quantique. Un impact majeur pour la physique est attendu en métrologie et mesures physiques de grande précision. Finalement, les molécules froides ouvrent de nouvelles perspectives dans le domaine de la chimie froide, où les effets quantiques deviennent dominants.

Enfin, de nouveaux résultats ont été obtenus sur les états liés d'Efimov à trois ou quatre corps, notamment sur la nature universelle de leurs niveaux d'énergie.

B. Ondes et désordre

La propagation d'ondes en milieu complexe est en train de connaître un développement important, avec de nombreux groupes en France se plaçant parmi les pionniers de leur communauté de recherche. Dans le domaine des atomes froids, la localisation faible et forte a été étudiée aussi bien pour des ondes de lumière diffusées par des grands nuages d'atomes froids que pour des ondes de matière diffusées par des potentiels optiques complexes.

Les enjeux qui se présentent dans un avenir proche concernent le rôle des interactions en présence de désordre. Les gaz ultra-froids permettent de contrôler les interactions de contact ou dipolaires, qui peuvent être ajustées entre autres par des résonances de Feshbach ou par une modification de la densité atomique. Le degré de contrôle exceptionnel des systèmes expérimentaux permet maintenant d'étudier le rôle important de la dimension du problème en passant de une, à deux, trois, voire de simuler des systèmes à quatre dimensions, avec à chaque fois des propriétés fondamentales spécifiques, comme le lien avec la superfluidité à deux dimensions, l'apparition d'une transition de phase pour la localisation d'ondes à trois dimensions ou le rôle spécifique des interactions sur la localisation qui dépend de la dimension de l'espace.

En ce qui concerne les effets de cohérence en diffusion d'ondes lumineuses par des atomes froids, des études récentes indiquent une différence importante entre un modèle d'ondes scalaires ou un modèle plus réaliste prenant en compte la nature vectorielle de la lumière. Le lien entre les approches de diffusion multiple avec la super- et la sous-radiance de Dicke est un autre sujet en cours d'exploration, tant sur le plan théorique qu'expérimental.

Les outils théoriques et numériques utilisés pour aborder les effets de cohérence en diffusion multiple connaissent aussi un développement important, empruntant des techniques de simulations de la physique atomique, de la matière condensée et de la physique mésoscopique. Le couplage théorie expérience est particulièrement fructueux et source de constantes évolutions dans le domaine.

De nouvelles approches exploitées initialement dans d'autres communautés sont de plus en plus utilisées pour les ondes lumineuses et les ondes de matière (cf. chap. III). Les aspects liés à l'optique quantique commencent à être pris en compte dans le traitement de la diffusion multiple, permettant d'étudier la robustesse de l'intrication et l'effet du bruit quantique en diffusion multiple ou la possibilité de guider un état de Fock à un photon à travers un milieu opaque, avec des retombées potentielles pour les mémoires quantiques basées sur des nuages atomiques ou l'utilisation des milieux complexes comme systèmes très multimodes pour l'information quantique.

C. Mesures de précision

Élaborer les lois fondamentales de la physique est une des grandes quêtes des physiciens. Pour tester la validité des théories fondamentales, une solution est d'accéder à des gammes d'énergies toujours plus importantes. C'est ce qui est accompli dans les accélérateurs. Une autre approche consiste à mesurer des phénomènes connus avec toujours plus de précision. C'est l'approche utilisée par une partie de la communauté de la section 04. Ces travaux s'accompagnent toujours d'un développement technologique important, et les instruments réalisés peuvent avoir des utilités hors du domaine de la physique.

Les mesures de précision se ramènent toutes à une mesure de fréquence et une référence de fréquence absolue de très grande stabilité est nécessaire. C'est pourquoi le développement d'horloges toujours plus précises est important. En France, ont été développées les meilleures horloges micro-ondes du monde. Elles utilisent des atomes froids dans un dispositif de fontaine, et définissent actuellement la seconde. Des horloges compactes sont en cours de développement au SYRTE, qui permettront un compromis encombrement/exactitude optimal. Des horloges à atomes froids vont aussi être envoyées sur satellite avec le projet PHARAO, qui aura des retombées importantes, notamment pour permettre la comparaison d'horloges terrestres entre elles. En termes de précision les horloges micro-ondes sont supplantées depuis quelques années par les horloges optiques : l'oscillateur de référence est alors une transition atomique dans le domaine optique, de très grand facteur de qualité. Même si les atomes neutres sont prometteurs (notamment grâce au fait qu'un grand nombre d'atomes peuvent être interrogés simultanément), la meilleure horloge optique est pour l'instant une horloge à ions. Notons aussi que certains groupes dans le monde envisagent de sonder une transition nucléaire située dans le domaine optique prédite pour le thorium.

Pour effectuer les mesures de précision, la référence de fréquence fournie par une horloge très précise doit être accessible. Ces dernières années, un progrès très important a été effectué et va permettre la dissémination de la référence de fréquence du SYRTE dans de nombreux laboratoires de France : c'est le réseau REFIMEVE+ qui transportera la référence de fréquence à travers le réseau fibré entre universités mis en place pour internet. Ceci constitue un atout important pour les laboratoires français.

Des senseurs inertiels de précision (gyromètres et gravimètres) basés sur l'interférométrie atomique sont développés. Des sensibilités aussi bonnes qu'avec les meilleurs instruments actuels ont été obtenues. Plus généralement, les interféromètres atomiques permettent de mesurer des forces avec une très grande précision. Le projet ForcaG vise à étudier les forces à courtes distances entre un atome et une surface, de façon à tester les théories de gravitation à courte distance et les forces de Casimir. Le projet MIGA consiste à utiliser des interféromètres atomiques pour détecter des ondes gravitationnelles, alternative intéressante au projet Virgo. Des études sont réalisées pour envoyer des interféromètres atomiques dans l'espace. S'ils permettront de réaliser des tests fondamentaux, les senseurs inertiels sont aussi utiles comme outils, pour la géophysique par exemple. Des interféromètres miniatures sont aussi développés qui visent à réaliser un compromis performance/encombrement. Les chercheurs de ce domaine ont effectué un travail conséquent de développement concrétisé par la création d'une entreprise commercialisant les interféromètres.

L'étude des transitions dans les atomes et les molécules permet de tester l'électrodynamique quantique. La France a un rôle de premier plan dans ce domaine. Ainsi, la meilleure détermination de la constante de structure fine est maintenant obtenue à partir de la mesure de h/M pour l'atome de Rubidium, réalisée en étudiant les oscillations de Bloch. Cette mesure permet le test le plus précis de la QED actuellement. Une autre expérience importante est la spectroscopie de l'hydrogène muonique, qui a permis de déterminer le rayon du proton. Des tests de la QED peuvent aussi être réalisés avec des ions lourds. Le rapport entre la masse du proton et la masse de l'électron peut aussi être calculé à partir de données spectroscopiques. Pour cette mesure, un système de choix est l'ion H2+. Un projet en cours vise à piéger cet ion dans un piège de Paul et à le refroidir sympathiquement. Notons enfin que des chercheurs français sont impliqués dans le projet international GBAR qui consiste à tester le principe d'équivalence sur l'antimatière.

La spectroscopie moléculaire peut aussi permettre d'observer des effets de violation de parité en effectuant la spectroscopie de molécules chirales.

Relier des grandeurs macroscopiques aux grandeurs microscopiques est un enjeu important pour se débarrasser des constantes non fondamentales comme la constante de Boltzmann kB. Une expérience vise à mesurer kB en mesurant l'élargissement Doppler de transitions optiques dans un gaz avec une précision de 1 ppm.

Le bruit de projection quantique est une limite fondamentale de tous les interféromètres atomiques. Des états intriqués à N corps, dont le spin total est comprimé, peuvent permettre d'améliorer la sensibilité. Des premières expériences, qui utilisent les interactions entre atomes pour introduire l'intrication, ont mis en évidence ce phénomène. Une autre stratégie pour réaliser ces états comprimés consiste à utiliser l'effet d'une mesure.

Au-delà des mesures de précisions, ces travaux métrologiques, qui se situent à la frontière de la physique fondamentale, contribuent assez systématiquement à des avancées dans la compréhension de la physique des systèmes étudiés.

D. Optique et information quantique

Le domaine de l'information quantique, exploré depuis une quarantaine d'années, est devenu une thématique de recherche mature dans les années 1990. Il consiste à traiter l'information à partir de protocoles basés sur les lois de la physique quantique. En effet, alors que la physique classique traite l'information par un « bit » (basé sur un codage binaire valant 0 ou 1), l'intrication et la superposition d'états quantiques permet en principe de coder exponentiellement plus d'information dans un « qubit » que dans un bit classique. De plus un état quantique inconnu ne peut être copié, et son observation introduit une perturbation irréversible, ce qui peut être exploité pour rendre la transmission de l'information plus sûre.

C'est pourquoi l'information quantique constitue un champ de recherche fondamentale très prometteur : un « ordinateur quantique », encore hypothétique, pourrait faire des calculs d'une grande complexité inaccessibles par un ordinateur classique en un temps raisonnable ; la cryptographie quantique propose d'implémenter des protocoles disposant d'une clé de sécurité réputée indéchiffrable.

Sur le plan théorique, l'amélioration des premiers algorithmes, proposés il y a une vingtaine d'années, doit reposer sur une meilleure compréhension des propriétés fondamentales de la théorie quantique. De nombreux efforts ont été consacrés ces dernières années à étudier la nature des corrélations quantiques, qui sont basées sur la propriété d'intrication, un des piliers sur lesquels repose la puissance de l'information quantique. Des progrès ont été réalisés dans la compréhension des propriétés de l'intrication multipartite ainsi que dans les méthodes potentiellement applicables pour sa détection. D'autres travaux théoriques ont cherché à mieux prendre en compte les effets (bruit quantique, décohérence) qui perturberaient irrémédiablement les opérations de calculs quantiques.

Sur le plan expérimental, la difficulté consiste à manipuler plusieurs systèmes quantiques intriqués pour réaliser les opérations d'adressage, de calcul (en combinant des portes quantiques) et de récupération de l'information. Même si de plus en plus de systèmes physiques élémentaires peuvent maintenant être contrôlés expérimentalement pour réaliser des opérations de calcul simples, le nombre maximum de qubits mis en jeu n'a que peu progressé ces dernières années, et reste cantonné dans l'ordre de grandeur de la quinzaine. D'autres approches sont actuellement étudiées, comme l'utilisation d'ensembles d'atomes que l'on peut contrôler collectivement, ou le couplage d'atomes artificiels (constitués de spins dans des matrices solides).

Les états quantiques de la lumière demeurent le support physique privilégié lorsque les opérations envisagées font appel à un nombre restreint de qubits. C'est notamment le cas de la cryptographie quantique, la distribution quantique de clé étant codée dans des photons. Ces dernières années ont vu le début d'applications commerciales. La distance sur laquelle on peut réaliser un tel réseau quantique a progressé, mais reste encore trop limitée (de l'ordre de la centaine de kilomètres) pour envisager un déploiement à grande échelle. Il faut des relais et des répéteurs quantiques capables de stocker et de restituer l'information, ce qui suppose de pouvoir contrôler très précisément l'interaction entre la lumière et la matière.

De nombreux efforts expérimentaux dans cette direction sont menés en optique quantique pour réaliser le plus fidèlement possible les briques élémentaires de l'information quantique photonique. De nombreuses sources de photons uniques ont été réalisées ainsi que de nouvelles sources de photons intriqués. Un effort important est consacré à la réalisation de mémoires quantiques, avec des atomes froids ou dans des cristaux dopés. L'enjeu le plus difficile est la réalisation de portes à deux qubits portés directement par deux photons. Des expériences sont développées pour obtenir des non-linéarités géantes au niveau du photon individuel par exemple en combinant le phénomène d'EIT et les fortes interactions dipolaires entre états de Rydberg. L'optique quantique multimode des oscillateurs paramétriques connaît elle aussi un développement important avec des applications dans le domaine de la transmission d'information par fibre à haut débit.

Bien qu'il soit aujourd'hui impossible de dire si un calculateur quantique réellement efficace sera un jour réalisable, le domaine de l'information quantique a joué un rôle de stimulateur dans le domaine de la compréhension des aspects les plus fondamentaux de la physique quantique comme la théorie de la mesure, la génération contrôlée d'états intriqués ou l'étude des limites du monde quantique dessinées par le phénomène de décohérence. Les expériences d'électrodynamique en cavité réalisées dans le groupe de Serge Haroche et distinguées par le prix Nobel 2012 s'inscrivent dans ce contexte.

Dans un domaine connexe déjà évoqué, le développement de détecteurs d'ondes de gravitation comme Virgo, dans lequel la France joue un rôle de premier plan, mérite également d'être souligné. C'est en effet aussi une des motivations du développement actuel important des expériences sur le couplage optomécanique entre petits résonateurs mécaniques et photons (cf. chap. III). Ces systèmes hybrides ont atteint le régime où la dynamique d'un oscillateur mécanique est dominée par son couplage à la lumière. Ils sont désormais aussi associés à une grande variété de nano-objets, comme des émetteurs de photons individuels ou des nuages d'atomes froids.