Dans cette leçon, vous découvrirez comment le formalisme de l'optique quantique conduit au comportement d'une particule d'un paquet d'ondes d'un photon. Pour cela, vous devrez apprendre les expressions d'optique quantique des signaux de photodétection simples et conjoints. Une comparaison avec les expressions semi-classiques illustrera la nécessité de l'optique quantique.

Dans cette leçon, vous aborderez la question fascinante de l'interférence d'un photon unique avec lui-même, en calculant la figure d'interférence d'un photon unique lancé dans un interféromètre de Mach-Zehnder. Pour ce faire, vous apprendrez d'abord comment traiter un séparateur de faisceau en optique quantique, un outil très important que vous devez connaître. Vous apprendrez également que lorsque vous souhaitez décrire un instrument optique en optique quantique, il est très utile de maîtriser sa description en optique classique. Cette leçon est l'occasion de réfléchir au concept mystérieux de dualité onde-particule, et à la puissance du formalisme quantique, qui permet de traiter de manière cohérente deux comportements apparemment contradictoires.

Dans le monde réel, il n'y a rien de tel qu'un rayonnement purement monochromatique. Une description correcte du rayonnement implique nécessairement plusieurs modes. Dans cette leçon, vous apprendrez comment la quantification canonique peut être facilement généralisée au cas de plusieurs modes, et comment diverses observables ou quantités importantes introduites dans le cas monomode sont exprimées dans le cas multimode. Au-delà du formalisme que vous devez apprendre pour pouvoir lire des articles et des livres décrivant des situations réelles, vous rencontrerez dans cette leçon quelques caractéristiques intrigantes du formalisme quantique : premièrement, la taille incroyablement grande de l'espace des états, qui est la raison de la puissance potentielle illimitée de l'information quantique ; deuxièmement, la question des infinités, un problème qui a été résolu par la procédure générale de renormalisation. Notez que des lectures optionnelles sont proposées comme ressources pour certains cours.

Les sources de photons uniques sont des composants importants de l'optique quantique, tant dans les laboratoires de recherche que dans les technologies quantiques appliquées. La leçon de cette semaine présentera les différents types de sources de photons uniques disponibles aujourd'hui, des sources de photons uniques annoncées aux sources de photons uniques à la demande. Vous apprendrez à utiliser le formalisme multimode présenté dans une leçon précédente pour décrire les paquets d'ondes à un photon, en particulier dans le cas d'un photon émis spontanément. Vous commencerez par la présentation d'un outil théorique très utilisé en optique quantique, le formalisme de Heisenberg. Il vous permettra de découvrir la formule exprimant la probabilité d'une double détection à deux instants différents. Vous apprendrez également quelques "trucs du métier" sur les transformées de Fourier.

Vous êtes maintenant prêt à développer la description d'une expérience réelle, qui a été la première à révéler directement la double nature - onde et particule - d'un paquet d'ondes à photon unique. Vous serez non seulement en mesure de décrire, grâce au formalisme que vous avez appris, les comportements de type particulaire et ondulatoire, mais vous verrez également comment prendre en compte les caractéristiques d'une expérience réelle, qui n'est jamais parfaite. Enfin, nous aurons l'occasion de réfléchir aux notions de dualité onde-particule et de complémentarité, qui ne doivent pas être confondues, et à la déclaration de Feynman, qui a qualifié la dualité onde-particule de "grand mystère quantique". J'essaierai de vous convaincre que lorsque l'on identifie un comportement mystérieux, il ne faut pas se plaindre, mais plutôt explorer la possibilité que quelque chose de nouveau et d'intéressant puisse émerger de ce mystère.

Dans cette leçon, vous découvrirez deux technologies quantiques basées sur des sources à un photon. Les technologies quantiques permettent d'atteindre un objectif d'une manière qualitativement différente d'une technologie classique visant le même objectif. Par exemple, la cryptographie quantique est insensible aux progrès de la puissance des ordinateurs, alors que de nombreuses méthodes de cryptographie classique peuvent en principe être cassées lorsque nous disposons d'ordinateurs plus puissants. De même, les générateurs quantiques de nombres aléatoires produisent de vrais nombres aléatoires, alors que les générateurs classiques de nombres aléatoires ne produisent que des nombres pseudo-aléatoires, qui peuvent être devinés par quelqu'un d'autre que l'utilisateur. Cette leçon est également l'occasion d'apprendre deux concepts importants de l'information quantique : (i) les qubits basés sur la polarisation des photons ; (ii) le célèbre théorème de non-clonage, à la base de la sécurité de la cryptographie quantique.