Encadré par Benjamin VEST
Problématique : Comment peut-on observer la dualité onde-corpuscule à l’aide d’une source de paires de photons ?
Point de départ :
Le LEnsE dispose d’un banc de travaux pratiques de 3ème année, dédié à l’effet Hong-Ou-Mandel (effet d’interférences à deux photons). Sur le plan fonctionnel, le banc est en parfait état ; mais sur le plan pédagogique, l’ambition peut être revue à la hausse : la séance de TP associée à l’effet HOM propose d’effectuer un nombre très réduit de réglages ce qui limite l’essentiel de son intérêt manipulatoire à la simple visualisation de l’effet HOM (voir Fig 1 et 2).
L’ambition du projet est d’adjoindre au banc actuel une nouvelle voie permettant de réaliser une version pédagogique de l’expérience menée par Philippe Grangier, Gérard Roger et Alain Aspect en 1986, après leurs expériences sur l’intrication de paires de photons. Cette expérience, dite expérience GRA, a consisté en le développement de la première véritable source de photons uniques au monde…à partir de la source de paires de photons au cœur du succès même des expériences de violation des inégalités de Bell.
Le principe de cette expérience consiste à prélever un des deux photons émis par la source de paires (sur le banc actuel, le cristal non-linéaire émettant des paires par conversion paramétrique descendante), pour l’envoyer vers un banc de mesure – typiquement un système type interféromètre de Michelson ou Mach-Zehnder – fermé par un ou des détecteurs de photon unique. La mesure des coïncidences à 2 ou trois détecteurs entre la voie dite d’annonce, détectant le premier photon, et les voies de l’interféromètre permettent de révéler la statistique de photon unique du flux annoncé et d’observer des franges de photon unique (voir Fig 2)
Utilisation du prototype réalisé :
Le prototype réalisé a vocation à s’insérer au sein de l’expérience de TP « Effet HOM » pour en faire un nouveau TP plus satisfaisant et ambitieux sur le plan pédagogique, « Interférences à un et deux photons ».
Description du travail à réaliser :
L’équipe du projet devra commencer par s’approprier quelques briques théoriques fondamentales de l’optique quantique afin de situer l’enjeu du sujet ; puis se familiariser avec les enjeux techniques de la détection de photons uniques, à travers le principe fonctionnement des détecteurs, des formats de signaux qu’ils génèrent, des techniques standards de comptage et de corrélation de ces signaux et des déclinaisons matérielles de ces techniques.
L’équipe devra ensuite identifier et proposer une liste de matériel optique, électronique, opto-mécanique, voire informatique et logicielle nécessaire à la réalisation de l’expérience, discutée et validée après échanges, prototypages, expérimentations préliminaires et toutes interactions ou activités qu’elle jugera nécessaire pour la définir au mieux.
Puis commencera la mise en place à proprement parler du banc : avec la réalisation, l’alignement et le test de sa partie optique, et la réalisation et le test en parallèle de son électronique. La validation du banc impliquera la réalisation de mesures d’autocorrélation en intensité validant le caractère de photon unique de la source annoncée réalisée, et l’acquisition de franges d’interférences à un photon.
Si le temps le permet, l’interfaçage élémentaire de l’expérience sera envisagé. Plusieurs expériences seront menées afin d‘acquérir des données préliminaires et de discuter de l’élaboration d’un scénario pédagogique autour des interférences à 1 photon en complément de celui de la séance de TP HOM de 3A.
Compétences ou savoirs-faires abordés :
- S’approprier des notions scientifiques et techniques à l’aide de ressources, avec et sans supervision
- Analyser une documentation technique
- Concevoir, prototyper et réaliser un montage optique
- Réaliser, caractériser et valider les performances d’un circuit électronique
- Définir des protocoles d’alignement, de mesure et de tests
- Réaliser, analyser et présenter des résultats de mesure
- Solliciter et échanger avec des experts pour aider à la résolution de problèmes.
- Mettre en œuvre un outil de gestion de projet afin d’assigner des tâches, et de documenter assidument et fidèlement le travail réalisé
- Interfacer plusieurs composants en langage Python
- Rédiger une documentation technique et des supports à vocation pédagogique
Ressources / connaissances :
- Optique et opto-mécanique : miroirs, cubes, lentilles, collimateurs et leurs montures ; fibre optique
- Micro-mécanique et cale piézoélectrique
- Opto-électronique/semi-conducteurs : détecteurs quantiques
- Électronique et traitement du signal : signaux d’horloge, signaux logiques, corrélation.
- Protocole de réglages, d’alignement, de tests
Qui encadre : Benjamin VEST – référent technique (Thierry AVIGNON ou Cédric LEJEUNE) . Soutien ponctuel de Julien VILLEMEJANE sur les questions d’électronique de corrélation et de comptage.