Les incroyables aventures de Robert Hanbury Brown et Richard Twiss. Partie 3: du télescope à l'informatique quantique

Fin. Commencez ici: partie 1 , partie 2 .



En anglais, la science des fusées parle de choses complexes et obscures. En russe, ils ont souvent recours à la comparaison avec la théorie de la relativité ou de la mécanique quantique. Bien que ce dernier commence par des idées très simples: disons que la lumière se propage par des particules individuelles - les photons. En une seconde, vous pouvez voir 96, 97 ou 99 photons, et jamais - 99 et demi. Cette idée étonnamment simple entraîne des conséquences très inhabituelles.

Avant de diriger le double télescope vers Sirius , nos héros ont décidé de le tester en laboratoire. L'étoile était jouée par la lumière d'une lampe focalisée sur un petit trou, et au lieu de deux télescopes, deux photomultiplicateurs ont été utilisés. Il n'était pas possible de les placer côte à côte, nous avons donc trouvé une astuce: la lumière de «l'étoile» a été envoyée à un miroir translucide, qui réfléchissait la moitié du rayonnement et l'autre transmise. Un photomultiplicateur a regardé le reflet de "l'étoile", le second s'est tenu derrière le miroir et a vu "l'étoile" dans la lumière:

L'expérience a montré que la théorie de Twiss est correcte: plus les photomultiplicateurs sont «séparés», moins la corrélation est mesurée. Mais ici, une question intéressante s'est posée. Un photomultiplicateur est un photodétecteur très sensible, sa tâche principale est de générer une impulsion de courant puissante pour un photon entrant:

Photomultiplicateur. Un photon a volé en haut à gauche et a généré un électron. Il a été accéléré par un champ, a heurté une dynode (anode intermédiaire) et en a éliminé deux électrons. Ces deux électrons ont également accéléré et éliminé quatre électrons de la prochaine dynode, et ainsi de suite. En conséquence, un seul photon a généré une si bonne impulsion de courant.

Le photomultiplicateur ne voit pas la lumière, mais des photons uniques. C'est logique: après tout, l'intensité lumineuse est simplement le nombre de photons arrivant en une seconde. Mais alors la corrélation doit être considérée non pas pour un signal bruyant, mais pour les photons. Raisonnable, pourquoi pas? Remplacez simplement l'intensité ( I ) par le nombre de photons ( n ):

Pour les sources indépendantes, la corrélation est l'unité. Logiquement: c'est le cas des télescopes divorcés lorsqu'ils voient différentes parties de l'étoile. Mais lorsque les télescopes sont «décalés», la corrélation devient égale à deux. Cela signifie que les photons ne viennent pas indépendamment, mais par paires! Comment?

Le moment est venu de rappeler la propriété fondamentale de l'optique quantique: un nombre entier de photons vient toujours pour n'importe quel intervalle de temps. Sur la base de cette propriété, Roy Glauber de Harvard crée une théorie de cohérence qui décrit les propriétés des photons, leurs statistiques, leur cohérence et tout cela. Il est basé sur la deuxième méthode de quantification, dans laquelle des opérateurs de création et d'annihilation de photons sont utilisés - les noms parlent d'eux-mêmes: les photons apparaissent et disparaissent individuellement, et leur nombre total reste toujours entier.

La théorie de la cohérence de Glauber a décrit en détail l'expérience Hanbury Brown-Twiss et a montré que les photons d'une étoile (et de toute autre source de chaleur - lampes, LED, décharges de gaz, etc.) «essayaient» vraiment de venir par paires. La même théorie a expliqué la signification physique de cette mystérieuse fonction de corrélation g ⁽²⁾ : elle montre à quel point la source «amicale» émet des photons. Si g ^{(2) est} supérieur à l'unité, alors les photons préfèrent rayonner en groupes; si moins d'un, alors séparément. Eh bien, g ⁽²⁾ = 1 correspond aux photons qui sont émis indépendamment. Curieusement, le laser génère également de la lumière avec g ⁽²⁾ = 1.

Dans les cercles, il existe différentes valeurs de g ⁽²⁾ pour les télescopes «décalés». Pour "étendu", g ^{(2) est} toujours égal à l'unité (droite).

Comme prévu, g ⁽²⁾ = 2 signifie que les photons viennent par paires, et l'expérience est correcte. La famille Hanbury Brown a célébré cet événement joyeux avec la naissance de deux jumeaux.

Robert Hanbury Brown est certainement satisfait de ce qui se passe.

J'ai parlé de la théorie de la cohérence et de la magie des photons doubles, mais cela s'est avéré d'une manière incompréhensible. Heureusement, la théorie a une description plus visuelle. Si la source émet en moyenne 22,5 photons par seconde, alors chaque seconde, nous détecterons très probablement 22 ou 23 photons, moins souvent 15 ou 30, et presque jamais zéro ou cent. La répartition du nombre de photons avec un maximum à 22,5 métiers:

Et quelle est sa largeur? Il s'avère que pour un «bon» rayonnement (si les photons sont émis indépendamment les uns des autres) centré sur N, la largeur de distribution est égale à la racine de N. Cette distribution est appelée Poisson . Si la distribution s'avère plus large, elle est appelée Super Poisson (et une plus étroite est sous Poisson ):

Statistiques de Poisson, sous-Poisson et super-Poisson.

Eh bien, la fonction g ⁽²⁾ montre la largeur de distribution: plus elle est grande, plus la distribution est large. g ⁽²⁾ = 1 correspond à la distribution de Poisson, alors qu'elle ne dépend pas du nombre moyen de photons. Autrement dit, pour tout laser - à la fois pour les faibles et pour les puissants - g ⁽²⁾ est égal à l'unité.

Pour la lumière thermique, g ⁽²⁾ = 2. Est-ce à dire que la distribution est deux fois plus large que le laser? Pas vraiment. Il est plus large que le laser, mais il est complètement différent:

Autrement dit, le rayonnement thermique est quelque peu similaire à la distribution des niveaux d'énergie: plus le niveau est élevé (plus le nombre de photons est élevé), moins il est susceptible de le voir. D'où la principale conclusion: le rayonnement thermique et le rayonnement cohérent ont des propriétés statistiques fondamentalement différentes . La meilleure partie est que la mesure de g ^{(2) en} utilisant l'expérience Hanbury Brown-Twiss nous permet de mesurer facilement ces statistiques. Où cela s'applique-t-il? Eh bien, par exemple, lors du développement de lasers: en utilisant g ^(2), vous pouvez déterminer le seuil de génération (c'est-à-dire les conditions dans lesquelles le rayonnement du rayonnement thermique devient laser).

Eh bien, le cas le plus intéressant (et utile) est g ⁽²⁾= 0. La largeur de la distribution des photons est nulle! Qu'est-ce que ça veut dire? Il s'avère que le nombre de photons est strictement fixe et ne change pas de seconde en seconde. La distribution se compose d'un seul pic (image de droite):

Statistiques de photons: Poisson (il est également cohérent, g ⁽²⁾ = 1), thermique (g ⁽²⁾ = 2), Fokovskaya (c'est aussi N-photon, g ⁽²⁾ = 0).

La chose la plus intéressante se produit lorsque la source émet exactement un photon (le cap suggère qu'une telle chose est appelée une source à photon unique) De tels dispositifs sont nécessaires pour le fonctionnement des transistors optiques, des qubits de commutation, dans la cryptographie quantique et des applications similaires. Leurs exigences sont très importantes: elles ne doivent en aucun cas générer plus d'un photon. Sinon, un photon émis de façon aléatoire peut entraîner une fuite d'informations. Ou, par exemple, la clé optique s'allumera à partir du premier photon et s'éteindra immédiatement à partir du second. Par conséquent, les sources à photon unique doivent être testées de manière approfondie.

Comment détecter un photon (ou mieux - deux)? Une photodiode conventionnelle est inutile: la réponse sera trop faible. Ils utilisent une diode à avalanche - mais elle a ses inconvénients. Par exemple, il a un temps mort : pour chaque photon qui arrive, il génère une longue impulsion de courant, et le deuxième photon arrive à ce moment, la diode ne le remarque tout simplement pas:

L'éclosion rouge est un temps mort. Habituellement, ce n'est pas moins de 100 picosecondes.

L'idée de nos personnages principaux vient à la rescousse: dirigeons la lumière vers un miroir translucide et deux détecteurs, puis calculons la valeur de g ⁽²⁾ . Si g ⁽²⁾ = 0, alors la source est à photon unique, si g ⁽²⁾ > 0, alors parfois elle émet deux photons. Et maintenant - attention, magie physique! - trois explications de pourquoi cela fonctionne:

1. À partir d'une image avec des distributions.

Si chaque seconde la source émet un photon, alors dans l'histogramme il y a une colonne sur "1", la largeur de distribution est nulle et g ⁽²⁾ = 0. Si 2 photons sont parfois émis, alors la colonne sur "2" apparaît dans l'histogramme et la largeur de distribution augmente, et avec elle, g ⁽²⁾ grandit .

2. De la formule

Si la source est à photon unique, alors n1 + n2 = 1, ce qui signifie que l'un des nombres est zéro, ce qui signifie que le produit de n1 et n2 est également nul, ainsi que g ⁽²⁾ . Si deux photons sont émis (n1 + n2 = 2), alors peut-être n1 = n2 = n1 * n2 = 1, et g ⁽²⁾ devient supérieur à zéro.

3. Et enfin, la chose la plus importante: du bon sens! Si des photons sont émis par paires, alors de temps en temps un photon frappera une diode, et la seconde - à la seconde. Ensuite, nous verrons le fonctionnement synchrone des diodes - coïncidences qui augmentent la valeur de g ⁽²⁾ . Si la source est vraiment à photon unique, alors les diodes ne fonctionneront jamais simultanément.

L'idée de Hanbury Brown-Twiss est tout à fait indispensable dans l'analyse des sources à photon unique. Pour une bonne source, la fonction de corrélation g ⁽²⁾ ressemble à ceci:

Ici, le zéro n'est pas à gauche, mais au milieu; à gauche se trouvent les décalages négatifs de l'un des détecteurs (comme si le télescope gauche était à droite plutôt qu'à droite). L'essentiel est invariable: à zéro, le retard g ⁽²⁾ atteint zéro, avec un très grand retard les photons sont émis indépendamment et g ⁽²⁾ = 1.

Mais une source pas si bonne ressemble à ceci:

On peut voir que la fonction ne tombe pas en dessous de 0,4. Cela signifie que la source émet souvent des paires de photons, et pour des applications particulièrement importantes, il est préférable d'en chercher une autre.

Roy Glauber a reçu le prix Nobel de la théorie de la cohérence en 2005. Nos personnages principaux ne pouvaient pas le partager: Richard Twiss n'a pas vécu jusqu'à ce moment seulement six mois; trois ans plus tôt, Robert Hanbury Brown était parti. Mais, comme vous le savez, la plus grande reconnaissance est lorsque votre nom devient un nom familier. Une idée simple et brillante - mesurer les corrélations à l'aide d'une plaque de verre et de deux diodes - est restée dans l'histoire sous le nom de circuit Hanbury Brown-Twiss .

Photos d'articles de 2015 dans les meilleures revues scientifiques Nature et Science avec mesure des corrélations à l'aide du schéma Hanbury Brown-Twiss. La tâche d'observation: trouvez-la à cinq endroits :).

Ceci termine l'histoire, mais sa suite logique peut être trouvée ici.

Sources de
M. Fox. Optique quantique: une introduction - Oxford University Press, 2006.
R. Hanbury Brown. L'interféromètre d'intensité. Son application à l'astronomie. - Londres: Taylor & Francis, 1974.
R. Hanbury Brown. Boffin: une histoire personnelle des premiers jours du radar, de la radioastronomie et de l'optique quantique - Bristol: Adam Hilger, 1991.
Nécrologie: Robert Hanbury Brown. Nature 416, 34 (2002).

Photos: 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 .

Source: https://habr.com/ru/post/fr386779/