Introduction à la réduction du bruit quantique

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l'ENS, Laboratoire associé au CNRS (URA0018), Université Pierre et Marie Curie, 75252 Paris 05, FRANCE

Résumé

Les fluctuations quantiques sont devenues un nouvel objet d'étude pour les physiciens. Elles constituent en effet une limite à la sensibilité de certaines mesures de très haute précision, dans le domaine optique depuis longtemps, dans le domaine microonde depuis quelques années. Depuis une dizaine d'années, des études théoriques ont montré que cette limite pouvait être contournée. Les résultats obtenus expérimentalement permettent d'imaginer de nombreuses applications concernant des mesures physiques ultrasensibles, des effets qualitativement nouveaux mais aussi des applications dépassant le cadre de la physique fondamentale. On peut comprendre les principales propriétés des fluctuations quantiques grâce à des représentations imagées relativement simples. Dans la première partie de cet article, nous utilisons ces représentations pour passer en revue les problèmes généraux liés au bruit quantique, les différentes méthodes utilisées pour réduire ce bruit et les applications potentielles de ces résultats. La deuxième partie de cet article est consacrée à l'étude approfondie de quelques problèmes particuliers permettant de montrer comment les représentations imagées peuvent être justifiées à partir de la théorie quantique. Nous discutons les approches corpusculaire et ondulatoire à la théorie de la photodétection. Nous présentons la définition des états comprimés idéaux et la représentation semi-classique de leurs fluctuations. Enfin, nous montrons comment ces états comprimés peuvent être générés en utilisant des oscillateurs paramétriques optiques.

Abstract

Quantum fluctuations are a new subject of interest for physicists. They put a limit to sensitivity of high precision measurements in the optical and microwave domains. It has first been shown theoretically that this limit could be overcome. Experimental results have then led to proposals for applications concerning ultrasensitive physical measurements and novel effects as well as applications outside basic physics. The main properties of quantum fluctuations can be understood from simple physical pictures. In the first part of this article, we use such simple pictures to discuss general problems related to quantum noise and to review the different methods used for reducing it and using reduced noise for some applications. In a second part, we study in more detail some specific problems. We show how the simple representations of the first part can be deduced from a quantum approach. We discuss corpuscular and wave approaches to photodetection theory. We give the definition of ideal squeezed states and their semi-classical representation in phase space. Finally, we show how the squeezed states can be generated by optical parametric oscillators.