Sources de photons uniques et expérience à choix retardé de Wheeler : la dualité onde corpuscule à l'épreuve de l'expérience

Wave-particle duality with a single photon: from Young double-slit experiment to Wheeler's delayed-choice gedanken experiment

Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, École Normale Supérieure de Cachan, UMR CNRS 8537, Cachan, France.

Résumé

La théorie quantique nécessite de renoncer à certaines images classiques héritées du sens commun. Elle stipule en particulier une description duale de la lumière et de la matière, présentant simultanément les propriétés d'une onde et d'une particule et conduisant ainsi à des représentations classiques de la réalité physique incompatibles. Le travail décrit dans cet ouvrage s'inscrit dans l'étude de la dualité onde-corpuscule pour un photon unique à l'aide d'une source de photons uniques fondée sur l'excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon très proche dans sa conception de celle des trous d'Young. Cette expérience nous permettra de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour aller un peu plus au cœur des problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons par la suite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée dite de “choix retardé” proposée par Wheeler au début des années soixante-dix. Dans cette expérience, la décision de fermer ou non l'interféromètre, et donc d'observer soit les interférences (associé à une propriété ondulatoire) soit le chemin suivi par le photon dans l'interféromètre (associé à une propriété de type corpusculaire), n'est prise qu'une fois que le photon a franchi l'élément séparateur à l'entrée de l'interféromètre. Les résultats de cette expérience nous permettront de conclure qu'aucune réalité physique classique ne saurait être attribuée au photon indépendamment de l'appareil de mesure, comme le stipule le principe de complémentarité.

Abstract

Young's double-slit experiment realized with particles sent one at a time through an interferometer is at the heart of quantum mechanics. The striking feature is that the phenomenon of interference, interpreted as a wave following simultaneously two paths, is incompatible with our common sense representation of a particle following one route or the other but not both. The work described in this book is dedicated to the study of wave-particle duality for a single photon emitted by the triggered photoluminescence of a single NV color center in a diamond nanocrystal. We first present the realization of a single-photon interference experiment using a Fresnel's biprism, in a scheme equivalent to the standard Young's double-slit textbook experiment. We then discuss the complementarity between interference and which-path information in this two-path interferometer. We finally describe the experimental realization of Wheeler's delayed-choice gedanken experiment, which is a fascinating and subtle illustration of wave-particle duality. In such experiment, the choice either to observe interference fringes, obviously associated to a wave-like behavior, or to know which path of the interferometer has been followed, according to a particle-like behavior, is made whereas the photon has already entered into the interferometer. Furthermore, the choice is made by a quantum random number generator and is relativistically separated from the entering of the photon into the interferometer. The results of that experiment show once again that no classical physical reality can be attributed to the photon independent of the measurement apparatus, as stated by the complementarity principle.