L'effet Hong-Ou-Mandel, démontré expérimentalement pour la première fois par Chung Ki Hong, Zheyu Ou et Leonard Mandel en 1987, constitue une illustration fondamentale de l'interférence quantique impliquant deux photons. Il révèle élégamment la nature corpusculaire et ondulatoire de la lumière d'une manière qui contraste vivement avec les attentes classiques. L'expérience commence typiquement avec une source qui génère des paires de photons, souvent par conversion paramétrique spontanée descendante (SPDC) dans un cristal non linéaire. Dans ce processus, un unique photon de pompe de haute énergie se divise en deux photons de plus basse énergie, conventionnellement appelés signal et complémentaire (ou idler). Point crucial, ces photons sont générés simultanément et sont souvent corrélés par leurs propriétés, comme la polarisation ou l'impulsion.
Le montage dirige ensuite ces deux photons le long de chemins séparés vers un composant optique simple mais essentiel : un séparateur de faisceau 50/50. Ce dispositif transmet classiquement la moitié de la lumière incidente et réfléchit l'autre moitié. Des détecteurs sont placés à chacun des deux ports de sortie du séparateur de faisceau, configurés pour enregistrer les comptages en coïncidence – les cas où les deux détecteurs se déclenchent simultanément, indiquant qu'un photon est sorti par chaque port. L'un des chemins d'entrée intègre généralement un mécanisme pour introduire un retard variable, permettant un contrôle précis du temps d'arrivée relatif des deux photons au séparateur de faisceau.
L'observation vraiment remarquable se produit lorsque les longueurs de chemin sont ajustées de sorte que les deux photons arrivent au séparateur de faisceau exactement au même moment et sont rendus indiscernables à tous autres égards (comme la polarisation, la fréquence et le mode spatial). Dans ces conditions, les comptages en coïncidence entre les deux détecteurs chutent à zéro. Les photons ne sortent jamais par des ports différents ; au lieu de cela, ils quittent toujours le séparateur de faisceau ensemble, sortant par le même port de sortie, soit en étant tous deux transmis, soit en étant tous deux réfléchis. Le port spécifique par lequel ils sortent est aléatoire, mais ils sortent toujours en paire. Lorsque le retard est légèrement ajusté par rapport à zéro, rendant les photons discernables par leur temps d'arrivée, les comptages en coïncidence réapparaissent, traçant une courbe caractéristique en forme de V connue sous le nom de "creux HOM" lorsqu'elle est représentée en fonction du retard.
Du point de vue de la mécanique quantique standard, ce phénomène s'explique par l'interférence des amplitudes de probabilité, une technique de calcul puissamment formalisée par l'approche de l'intégrale de chemin de Richard Feynman. Il existe deux manières indiscernables pour que les deux détecteurs enregistrent une coïncidence : les deux photons pourraient être réfléchis par le séparateur de faisceau, ou les deux photons pourraient être transmis. La mécanique quantique dicte que nous devons additionner les amplitudes de probabilité pour ces deux possibilités. En raison des déphasages spécifiques associés à la réflexion et à la transmission sur un séparateur de faisceau, ces deux amplitudes s'avèrent être égales en magnitude mais de signes opposés. Elles interfèrent destructivement, conduisant à une amplitude de probabilité nulle, et donc à une probabilité nulle, de détecter simultanément un photon à chaque port de sortie lorsque les photons d'entrée sont identiques et arrivent ensemble. Cette explication, bien que mathématiquement précise et prédictive, frappe souvent les débutants comme profondément étrange. Comment les photons, arrivant de chemins séparés, "savent-ils" l'un pour l'autre pour conspirer à toujours sortir ensemble ? Pourquoi le résultat dépend-il de la somme de possibilités abstraites plutôt que d'une interaction directe ? Où sont les photons avant qu'ils n'atteignent le séparateur de faisceau ? L'interprétation standard repose sur la superposition et l'effondrement (ou la réduction) de la fonction d'onde lors de la mesure, laissant le mécanisme sous-jacent quelque peu opaque et magique, dépourvu d'une image physique continue et intuitive.
La théorie de l'onde pilote, ou théorie de de Broglie-Bohm, offre un cadre conceptuel différent qui vise à dissiper cette étrangeté en postulant une réalité physique plus directe. Dans cette perspective, les photons sont toujours des particules réelles, possédant des positions et des trajectoires définies à tout moment, même lorsqu'ils ne sont pas observés. Ces particules, cependant, ne se déplacent pas indépendamment ; elles sont guidées ou "pilotées" par un champ ondulatoire physique associé. Cette onde pilote, mathématiquement liée à la fonction d'onde quantique standard, imprègne l'espace et évolue selon l'équation déterministe de Schrödinger. Pour l'expérience HOM à deux photons, l'entité cruciale est l'onde pilote associée à l'ensemble du système à deux photons. Cette onde existe dans un espace de configuration de dimension supérieure qui décrit les positions possibles des deux particules. Essentiellement, l'appareil mathématique utilisé pour calculer la structure et l'évolution de cette onde pilote est identique à celui de la mécanique quantique standard ; il implique intrinsèquement la somme des amplitudes pour différentes configurations, exactement comme décrit par l'approche de Feynman.
Lorsque les deux photons s'approchent du séparateur de faisceau, leur onde pilote guide interagit avec celui-ci. La structure de l'onde pilote elle-même est modifiée par la présence du séparateur de faisceau. La fonction d'onde contient des composantes représentant les deux possibilités : les deux photons réfléchis, et les deux photons transmis. Parce que les photons sont identiques et arrivent simultanément, la symétrie de la situation dicte comment ces composantes d'onde se combinent. Spécifiquement, l'onde pilote développe des régions d'amplitude nulle – des nœuds – dans l'espace de configuration correspondant au résultat où un photon sort par un port et le second photon sort par l'autre. Les particules, suivant le guidage déterministe de l'onde pilote, sont dirigées par le gradient de l'onde. Puisque l'amplitude de l'onde est nulle pour le résultat de sorties séparées, les particules ne sont tout simplement jamais guidées dans cette configuration. Elles sont inévitablement dirigées le long de trajectoires qui les amènent à sortir par le même port de sortie. Le caractère aléatoire inhérent à la mécanique quantique, dans cette image, ne provient pas de l'effondrement lors de la mesure mais de notre ignorance des positions initiales précises des particules au sein de leurs paquets d'ondes initiaux ; en fonction de ces points de départ exacts, la dynamique déterministe de l'onde les guidera vers un port de sortie partagé ou l'autre, mais jamais vers des ports séparés.
L'introduction d'un retard temporel entre les photons rompt la symétrie de leur arrivée au séparateur de faisceau. Cela change la structure de l'onde pilote à deux photons lorsqu'elle interagit avec le séparateur. Les nœuds correspondant au résultat d'anti-coïncidence (photons sortant par des ports séparés) ne sont plus présents ou sont significativement modifiés. Par conséquent, l'onde pilote peut maintenant guider les particules le long de trajectoires qui les mènent à des ports de sortie différents, et des comptages en coïncidence sont enregistrés. Le creux HOM s'explique ainsi comme une conséquence directe de la dynamique physique de l'onde guidant les particules à travers le séparateur de faisceau, le creux se produisant lorsque la structure de l'onde empêche physiquement les particules de prendre des chemins séparés.
Cette interprétation par l'onde pilote élimine une grande partie du mystère perçu. Les photons n'ont pas besoin de "se connaître" l'un l'autre d'une manière étrange ; leur comportement est coordonné par le champ ondulatoire physique partagé qui porte des informations sur les deux particules et l'ensemble du montage expérimental. L'interférence n'est pas une annulation mathématique abstraite mais un effet physique réel où l'onde guide les particules loin de certaines régions. Les particules ont toujours des trajectoires, et le "problème de la mesure" est moins problématique car l'onde évolue de manière continue et déterministe, guidant les particules vers les détecteurs. Cette perspective, soulignant la réalité à la fois des particules et des ondes guides, et fondant l'interférence sur la dynamique de ces ondes influençant les trajectoires des particules, résonne fortement avec les techniques expérimentales modernes en optique quantique qui reposent de plus en plus sur la manipulation et la compréhension des chemins et des modes des photons pour réaliser des effets quantiques complexes comme la génération d'intrication par identité des chemins, offrant une fondation potentiellement plus intuitive et moins "magique".
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