Trois tests expérimentaux des inégalités de Bell par corrélation

398 Pages·2016·14.1 MB·French

by  Alain Aspect

ORSAY
n° d’ordre
2674
UNIVERSITE DE PARIS-SUD
CENTRE D’ORSAY
T H E S E
presentée
Pour obtenir
Le CRADE de DOCTEUR ES SCIENCES PHYSIQUES
PAR
Alain ASPECT
SUJET: TROIS TESTS EXPERIMENTAUX DES INEGALITES DE BELL
PAR MESURE DE CORRELATION DE POLARISATION DE PHOTONS
soutenue le ler Février 1983 devant a Commission d’examen
.
MM A, MARECHAL President
J.S. BELL
C. COHEN-TANNOUDJI
B. D’ESPACNAT
C. IMBERT
LALOE
F.
ORSAY
n° d’ordre :
2674
UNIVERSITE DE PARIS-SUD
CENTRE D’ORSAY
T H E S E
présentée
Pour obtenir
Le GRADE de DOCTEUR ES SCIENCES PHYSIQUES
PAR
Alain ASPECT
SUJET: TROIS TESTS EXPERIMENTAUX DES INEGALITES DE BELL
PAR MESURE DE CORRELATION DE POLARISATION DE PHOTONS
soutenue le ler février 1983 devant la Commission d’examen
MM. A. MARECHAL Président
J.S. BELL
C. COHEN-TANNOUDJI
B. D’ESPAGNAT
C. IMBERT
LALOË
F.
"This point was never accepted by. Einstein... it became known
as the "Einstein-Podolsky-Rosen paradox". But when the situation
is described as we have done it here, there doesn’t seem to be
any paradox at all... "
R.P. Feynman (1963)*
"We always have had a great deal of difficulty in understanding
the world view that quantum mechanics represents.. Jt has not yet
become obvious to me that there is no real problem...
l’ve entertained myself always by squeezing the difficulty of
quantum mechanics into a smaller an smaller place, so as to
get more and more worried about this particular item. It seems
to be almost ridiculous that you con squeeze it to a numerical
question that one thing is bigger than another. But there you
are - it is bigger... "
R.P. Feynman (1981)**
* The Feynman Lectures on Physics, Tome III, Chapitre 18
(Addison - Wesley, 1965).
** Intern. Journ. of Theoret. Phys. 21, 467 (1982).
ABSTRACT
tests
We have performed three experimental of Bell’s inequalities
by measuring the linear-polarization correlation of photons emitted by
42 p
1So ~ 41P1 s4p 42 s1So
pairs in the ~ radiative cascade of calcium.
The first part of this dissertation reminds the theoretical background
(Bell’s theorem), and the experimental situation (previous experiments).
We then describe our apparatus : the source (calcium atomic beam
selectively excited by two-photon absorption), the optics, the photon
coihcidence - counting system. Our first experiment, analogous to
previous ones (but more precise) involves one-channel polarizers. Our
second experiment, based on a conceptually simpler scheme, uses two-
channel polarizers. The third experiment involves acousto-optical
switches followed by two linear polarizers : these devices act as time-
varying polarizers, the orientation of which is changed during the time
of flight of photons.
In the three experiments, the results are in good agreement with
the Quantum mechanical predictions, and they distinctly violate the
relevant Bell’s inequalities.
En m’accueillant à l’Institut d’Optique d’Orsay, Monsieur
le Professeur Maréchal m’a permis de bénéficier de moyens de travail
exceptionnels, sans lesquels ce travail n’aurait pas pu être mené à bien.
Je le remercie de la confiance qu’il m’a accordée.
Je veux exprimer ici ma gratitude à Christian Imbert
qui m’a proposé de travailler sur les inégalités de Bell. Qu’il sache
combien j’ai apprécié la liberté que j’ai eue sous sa direction, mais
aussi le fait que je l’ai toujours trouvé présent pour m’aider à résoudre
les problèmes que nous avons rencontrés.
En me faisant l’honneur de participer à mon jury de thèse,
John Bell confirme le soutien qu’il nous a apporté dès le début, et dont
je lui suis reconnaissant.
Ma reconnaissance va aussi à Claude Cohen-Tannoudji qui,
malgré ses lourdes charges, m’a consacré de nombreuses heures. Tous
ceux qui ont eu la chance de travailler avec lui imagineront sans peine
le bénéfice que j’ai retiré de ses conseils.
Je dois beaucoup à M. le professeur d’Espagnat qui m’a
aidé à découvrir les subtilités et les embûches de ce sujet, qu’il a
beaucoup contribué à faire connaître.
Chaque fois que j’ai sollicité son aide, Franck Laloë n’a
ménagé ni sa peine, ni son temps, pour me faire profiter de sa connais-
sance profonde de la Mécanique Quantique et du théorème de Bell. Ce
travail porte la marque de ses avis amicaux et exigeants, dont je lui suis
sincèrement reconnaissant.
Gérard Roger a été associé à ces expériences dès leur début.
C’est ensemble que nous avons conçu les "manips" et que nous les avons
montées. Ce travail est aussi le sien. Son goût et sa compétence pour
les montages précis et élaborés et son aversion pour les "bricolages
de chercheur" ont donné à notre apparaillage une fiabilité exceptionnelle.
Les résultats rapportés dans ce mémoire ont été obtenus
par une équipe. Philippe Grangier et Jean Dalibard ont tour à tour
de
participé à ce travail. Leurs qualités physicien et leur enthousiasme
sans faille leur ont permis de jouer un rôle essentiel dans la phase
finale des expériences.
Ces expériences n’ont pu être montées que grâce à la qualité
remarquable des services techniques de l’Institut d’Optique, aussi bien
le bureau d’étude que les ateliers de mécanique et d’optique. Je les
remercie aussi pour leur compréhension devant nos "urgences".
Une grande partie de l’électronique et de l’informatique
a été conçue et réalisée (avec le concours d’Alain Aide) par André
Villing. Grâce à son aptitude exceptionnelle à aborder les questions
nouvelles, il a su résoudre tous les problèmes que nous lui avons
soumis.
Il ne m’est pas possible de remercier ici individuellement
tous mes amis de l’Institut d’Optique, d’Aimé Cotton, de l’ENSET, de
l’Horloge Atomique, de la Halle aux Vins, de la rue Lhomond, de
Meudon, de Saclay ... Qu’ils m’aient prété un gramme de Rhodamine
ou un amplificateur, qu’ils m’aient vérifié un calcul ou fait profiter
de leur savoir-faire, leur contribution aura joué un rôle important.
Je tiens à remercier particulièrement J. P. Passérieux, du
DPhNBE de Saclay, qui m’a fait bénéficier de ses immenses compétences
dans le domaine des comptages rapides.
Les commutateurs acousto-optiques doivent beaucoup
à l’aide du laboratoire d’acousto-optique de Valenciennes, particulièrement
de MM. Torguet et Gazolé.
MM. Vallat et Delabarre, de la société R.T.C., m’ont
apporté une aide compétente dans le domaine des photomultiplicateurs.
Les laboratoires de recherche Philips, à Eindhoven, ont
réalisé les traitements diélectriques des séparateurs de polarisation.
Je remercie Joseph Braat qui a permis à cette opération d’avoir lieu.
Je ne saurais terminer sans remercier Nelly Bonavent, qui
a assuré la frappe de ce mémoire avec compétence et efficacité, et aussi
avec une grande gentillesse.
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION
page 1
PREMIERE PARTIE : LE THEOREME DE BELL
THEORIE ET EXPERIENCES
CHAPITRE I - POURQUOI DES PARAMETRES SUPPLEMENTAIRES ?
LE RAISONNEMENT D’EINSTEIN, PODOLSKY, ROSEN 11
I 1 Le raisonnement E.P.R. 13
-
I - 2 Analyse en Mécanique Quantique d’une expérience de
pensée E.P.R. avec des photons 16
I 3 Recherche d’une "image classique expliquant" les
-
corrélations entre mesures éloignées 20
I 4 Conclusion du chapitre I 25
-
CHAPITRE II - LE THEOREME DE BELL ET SES IMPLICATIONS 27
II -1 Inégalités de Bell pour les Théories Déterministes
Locales à Paramètres Supplémentaires 29
II -2 Conflit avec la Mécanique Quantique 34
II - 3 Inégalités de Bell pour les Théories Stochastiques
Locales à Paramètres Supplémentaires 40
II - 4 Inégalités de Bell dans une expérience avec polariseurs
variables 44
II - 5 Impossibilité du "télégraphe supraluminal" 53
II - 6 Quelles idées sous-tendent le formalisme ? 56
II - 7 Conclusion 60
Appendice du chapitre II - Lemmes utiles 65
CHAPITRE III - DE L’EXPERIENCE DE PENSEE AUX EXPERIENCES
REELLES : LES EXPERIENCES PRECEDENTES 67
III-A EXPERIENCES AVEC PHOTONS Y (OU PROTONS) 69
III-A-1 Principe 69
III-A-2 Résultats expérimentaux 71
III-A-3 Discussion 72
III-A-4 Diffusion proton-proton 72
III-A-5 Conclusion 73
III-B PAIRES DE PHOTONS VISIBLES EMIS DANS CERTAINES
CASCADES RADIATIVES ATOMIQUES 73
III-B-1 Introduction 73
III-B-2 Calculs quantiques 75
III-B-3 Expériences avec polariseurs à une voie 81
III-B-4 Les expériences de la décennie 1970 86
III-B-5 Hypothèses supplémentaires sur les détecteurs 93
III-C BILAN ET PERSPECTIVES 95
APPENDICE DE LA PREMIERE PARTIE - ANALOGIE MACROSCOPIQUE 99
1 Description du modèle 99
2 Corrélations fortes 101
3 Inégalités de Bell-d’Espagnat 103
4 Conflit avec les prévisions quantiques 105
DEUXIEME PARTIE : LES EXPERIENCES D’ORSAY
CHAPITRE IV - LES EXPERIENCES D’ORSAY : INTRODUCTION 109
IV-1 Expérience avec polariseurs à une voie 110
IV-2 Expérience avec analyseurs de polarisation à deux voies 116
IV-3 Expérience avec commutateurs optiques 127
IV-4 Conclusion 133
CHAPITRE V - SOURCE DE PAIRES DE PHOTONS CORRELES EN
POLARISATION : PRINCIPES 135
V - 1 Comptage de photons en coïncidence par Spectre-Temps 136
V -2 Rapport Signal-Sur-Bruit. Régime Optimal 142
V - 3 Choix de la cascade et de son mode d’excitation 147
V - 4 Taux d’excitation de la cascade 152
V - 5 Elargissement du profil d’excitation 156
V - 6 Géométrie optimale de la source 159
V - 7 Conclusion 164
Appendice V - Excitation non-linéaire à deux photons de la
42 p1So - 1P1 - 42 s1So
cascade 4s4p du Calcium 165
1) Notations - Grandeurs utiles 165
2) Excitation dans des champs uniformes 168
3) Excitation transitoire 171
4) Egalité des profils d’excitation intégrés 174
5) Généralisations 175
CHAPITRE VI - DISPOSITIF EXPERIMENTAL DE BASE 178
V-A LA SOURCE
VI-A-1 Vue d’ensemble 181
VI-A-2 Jet atomique de calcium 184
VI-A-3 Lasers, focalisation 192
VI-A-4 Stabilisation de la source 198
VI-A-5 Le problème de la diffusion multiple résonante 202