Comment vous êtes-vous intéressé à la physique ?

LENE: Eh bien, je pense que mon premier intérêt était dans un certain sens pour les mathématiques datant, je pense, de la première année et j’avais un professeur de mathématiques formidable. Je pense qu’avoir un excellent professeur qui vous intéresse vraiment à un sujet est super, super important.

Puis, quand je suis entré à l’université, j’ai fini par étudier des mathématiques et de la physique et au début de mes études, je pensais devenir mathématicien jusqu’à ce que je commence à apprendre la mécanique quantique. Cela a vraiment changé mon intérêt. Je pensais que la mécanique quantique était absolument fascinante.

Intervieweur : Qu’est-ce que la mécanique quantique vous a trouvé si convaincante ?

LENE: Il y a des phénomènes très non intuitifs en mécanique quantique qui sont tout à fait étranges. C’est comme si la nature se comportait vraiment comme ça? Ensuite, il y avait aussi cet intérêt pour les mathématiques et le fait que vous pouvez en quelque sorte utiliser des outils très mathématiques pour déterminer les niveaux d’énergie autorisés pour un électron dans un atome d’hydrogène, par exemple.

Cela ressemble à des mathématiques pures. La nature peut-elle se comporter de cette manière? Cela ne semble pas tout à fait possible, mais il y a pourtant des expériences comme regarder le spectre, par exemple, le spectre de rayonnement, le type de lumière que l’hydrogène enverra. Cela semblait vraiment indiquer qu’il devait y avoir quelque chose à ces idées.

Donc, même si cela ressemblait à des mathématiques pures, il semblait que la nature se comportait vraiment de cette façon. Et puis il y avait ces phénomènes fous et non intuitifs. Nous savons qu’à chaque instant, une particule a une précision et une vitesse particulières, mais maintenant nous commençons à avoir cette idée que peut-être la particule est ce faisceau lumineux semblable à une onde et qu’elle pourrait être ici ou qu’elle pourrait également être là et qu’elle est en fait les deux endroits en même temps. Je pensais que c’était comme, wow; c’est assez incroyable.

Intervieweur: Existe-t-il un moyen simple d’expliquer comment vous arrêtez la lumière?

LENE: En gros, je trouve la lumière absolument fascinante et il n’y a rien qui va plus vite que la lumière et la lumière parcourt près de 200 000 miles par seconde. C’est assez ahurissant et il n’y a vraiment rien qui va plus vite que la lumière. Si vous commencez à envoyer de la lumière à travers une fenêtre — un morceau de verre, le verre a un indice de réfraction, ce qui aura tendance à ralentir un peu la lumière.

Toute l’idée d’un indice de réfraction est l’idée pourquoi les lentilles fonctionnent, pourquoi les lunettes fonctionnent, que vous avez un indice de réfraction pour les matériaux. Dans le verre, c’est un peu plus haut que ce qu’il est dans l’espace libre, dans le vide ou dans l’air. Donc, fondamentalement, ce qui se passe, c’est que lorsque nous envoyons de la lumière à travers un morceau de verre, il y aura un tas d’électrons et de molécules dans le verre et ce que fait le faisceau lumineux, c’est qu’il commence à faire vibrer ces électrons.

Maintenant, le fait que ces électrons entrent en vibration, ils vont eux-mêmes rayonner un peu de lumière parce qu’ils vont commencer à agir comme de petites antennes. La lumière qu’ils envoient en quelque sorte s’ajoutera en quelque sorte à la lumière que vous envoyez dans la fenêtre, donc l’effet principal de tout cela sera que la lumière ralentit un peu lorsqu’elle traverse un morceau de verre d’environ 30%, pas beaucoup.

Donc, dans notre laboratoire, nous avons commencé à avoir ces idées que nous pouvons peut-être commencer à faire aller la lumière très lentement, si lentement que vous pouvez la battre sur un vélo. Toute cette idée m’a toujours totalement fascinée parce que, encore une fois, il n’y a rien qui va plus vite que la lumière et si vous pouvez en quelque sorte la contrôler, l’apprivoiser, dans la mesure où vous pouvez la faire descendre à échelle humaine pour pouvoir la battre à vélo, je pense juste que c’est fantastique.

Intervieweur: Alors arrêtez-vous la lumière en augmentant l’indice de réfraction?

LENE: Si vous commencez à augmenter de plus en plus cet indice de réfraction pour ralentir la lumière, dans le milieu, ce qui se passera, c’est que vous réfléchirez toute la lumière du milieu avant même qu’elle n’entre. Ce que vous ferez de cette façon, c’est simplement créer le meilleur miroir du monde. Ce n’est pas particulièrement intéressant, donc nous devons faire quelque chose de totalement différent et nous ne créons pas un très grand indice de réfraction. C’est déroutant pour beaucoup de gens parce qu’ils pensent que c’est ce que nous faisons.

Dans le verre, vous le ralentissez un peu en partie parce que l’indice de réfraction est un peu plus élevé que ce qu’il est dans l’espace libre, ce qui signifie que vous réfléchissez également la lumière du support avant même qu’elle n’y pénètre. En plus de cela, vous avez également une absorption de la lumière dans le médium et cela signifie que la quantité de lumière qui pénètre réellement dans le médium, vous n’en sortirez pas tout de l’autre côté car une partie sera absorbée, engloutie, par le médium.

La façon dont il est englouti est qu’il chauffe dans le milieu; il chauffera un peu le verre et vous n’obtiendrez jamais cette chaleur retournée en lumière. Vous ne l’ajouterez plus jamais à votre impulsion lumineuse.

Intervieweur: Alors comment est-il possible d’arrêter la lumière, n’est-ce pas une idée folle?

LENE: Oui. C’est exactement ce que disaient mes collègues. Ils ont dit, Tu n’es pas fou ? En gros, je paraphrase. Le fait est qu’au départ, je mourais vraiment d’envie de mettre la main sur un condensat parce que c’était un état de matière totalement nouveau censé être un état de matière super-fluide. Je voulais juste mettre la main dessus; j’étais curieuse de commencer à m’y intéresser et de voir comment cela réagirait. Quelles sortes de propriétés a-t-il?

Le mieux auquel je pouvais penser était d’envoyer de la lumière dans ce condensat et de la lumière qui est particulièrement spectaculaire à envoyer, à savoir de la lumière dont la longueur d’onde ou la fréquence est réglée très précisément de manière à correspondre à la fréquence caractéristique particulière des atomes. Une fois que vous obtenez cela, cela s’appelle une condition de résonance. Une fois que vous obtenez cette condition de résonance, vous obtenez une interaction très forte entre l’atome et la lumière laser.

Nous refroidissons et créons des condensats à partir d’atomes de sodium et ce que nous faisons, c’est que nous envoyons une lumière laser avec une longueur d’onde telle que la lumière est jaune, donc environ 589 nanomètres, donc c’est une sorte de lumière jaune comme celle des lampadaires au sodium. Cette longueur d’onde est telle qu’elle correspond exactement à la fréquence caractéristique des atomes de sodium. Ainsi, par exemple, le sodium absorbera beaucoup de lumière si nous envoyons de la lumière avec cette fréquence ou cette longueur d’onde particulière, de cette lumière jaune.

Donc, envoyer de la lumière résonnante dans un condensat, c’est particulièrement dangereux mais aussi particulièrement intéressant car vous obtiendrez une interaction très forte. Par exemple, les photons de sodium absorberont très efficacement la lumière de ce faisceau, mais c’est exactement la situation dangereuse dans laquelle il faut se trouver parce qu’ici, vous avez ces atomes super refroidis et si l’atome dans ce nuage d’atomes vient d’absorber un seul photon, cela suffit pour que, à partir de cette absorption de photons unique, l’atome reçoive un petit coup de pied et se fasse ensuite éjecter directement du nuage d’atomes, du condensat, et nous le perdons simplement. En fait, à sa sortie, cet atome commencera à frapper les autres atomes et à chauffer le tout et tout le condensat s’évaporera essentiellement.

Si vous commencez à envoyer la lumière laser résonnante dans un condensat, il vous suffit de souffler le condensat. C’est pourquoi mes collègues ont dit: « Vous êtes fou. C’est trop dangereux. »Le fait est que, parce que vous obtenez cette interaction très dramatique entre les atomes et la lumière laser, vous avez également une sensibilité énorme en termes de sondage de ces condensats, et c’est ce que je recherchais et que j’obtenais vraiment cela parce que c’est vraiment une philosophie.

Si vous voulez sonder quelque chose, sondez-le aussi fort que possible sans qu’il ne se désagrège totalement. Alors, ne le faites pas un peu; faites-le beaucoup et voyez ensuite ce qui se passe.

Intervieweur: Donc, si vos collègues ne pensaient pas que cela fonctionnerait, pourquoi pensiez-vous que cela fonctionnerait?

LÈNE: Je pensais que cela allait fonctionner parce que si vous contrôlez correctement les paramètres, vous pouvez utiliser cette interaction très dramatique pour sonder de manière très sensible les propriétés.

C’est en quelque sorte dans ce processus d’essayer de sonder les condensats avec ce faisceau laser résonnant que nous avons commencé à réaliser, et si vous n’aviez pas un mais deux faisceaux laser réglés avec précision avec les propriétés lumineuses exactes qui arrivent aux angles droits avec les bonnes longueurs d’onde et tout cela? Si vous en avez deux, ces deux-là peuvent en quelque sorte faire ensemble les bonnes choses pour les atomes de sorte que vous puissiez réellement ralentir la lumière jusqu’à la vitesse du vélo.

Je veux dire bien sûr que c’est une chose d’avoir l’idée que quelque chose devrait fonctionner, mais c’était une chose totalement différente de le faire fonctionner en laboratoire. Vous vous êtes mis en route et vous l’avez mis en place en fonction de la façon dont vous pensez que cela devrait fonctionner, mais, wow, cela n’a pas tout à fait fonctionné comme il était censé le faire. Qu’est-ce qui pourrait mal se passer ici?

Quand les choses ne fonctionnaient pas, il fallait vraiment penser tout le temps à ce que je devrais changer ici? Que se passe-t-il ? C’était tellement intense. J’ai failli entrer dans la douche avec mes vêtements parce que nous y pensions tout le temps.

Intervieweur : Mais vous n’avez pas abandonné. Que s’est-il passé ensuite ?

LENE: Puis, finalement, nous avons commencé à voir un peu de ralentissement. Bien sûr, c’est comme au milieu de la nuit, comme 4:00 heures du matin ou quelque chose du genre, et vous regardez sous votre télescope et commencez à mesurer des impulsions lumineuses qui semblent avoir un peu ralenti. Mais alors, bien sûr, nous devenons nerveux. L’un de nous a-t-il cogné le bouton de l’oscilloscope? C’est peut-être un artefact. Donc, nous avons dû faire une expérience de contrôle, ce qui signifie que nous avons dû charger à nouveau les atomes dans le système, les refroidir et former un condensat, puis envoyer une autre impulsion lumineuse et essayer de voir si cela ralentissait.

Tout ce processus a pris environ deux minutes, mais c’était comme les deux minutes les plus longues de ma vie, je pense. Puis, finalement, nous avons mesuré cela une deuxième fois et c’est sûr qu’il a été ralenti. C’était vraiment excitant. C’était juste un peu de ralentissement, mais c’était comme « Je pense que nous avons quelque chose ici. »Et puis, il s’agissait de continuer à pousser, puis nous sommes arrivés à la vitesse de l’avion et puis, c’était à l’été 98, et à ce moment-là, tout d’un coup, j’ai dû aller à Copenhague pour enseigner une classe de maître.

Je ne voulais pas y aller mais j’avais promis d’enseigner ce cours donc je devais y aller. Je me souviens que je décollais dans l’avion de Boston à Copenhague et que je suivais la vitesse de l’avion sur grand écran et que je pensais oh, wow; maintenant, nous allons plus vite que mon impulsion lumineuse dans le laboratoire. Je calculais si j’avais envoyé une impulsion lumineuse de Boston au moment où je suis parti dans l’avion, j’arriverais à Copenhague une heure avant mon impulsion lumineuse.

Donc, en gros, j’étais à Copenhague pour la semaine, puis je me suis précipité à Cambridge pour continuer les expériences. Puis, environ un mois ou deux plus tard, nous avons commencé à ralentir la lumière jusqu’à la vitesse du vélo. Je me souviens de cette nuit. C’était, encore une fois, au milieu de la nuit et vous étiez juste assis là et vous n’êtes que la première personne dans l’histoire à être dans ce régime de la nature à voir la lumière aller aussi lentement. C’était vraiment incroyable et un sentiment incroyable et valait en quelque sorte tout le travail acharné qui avait été accompli avant cela.

Intervieweur: Pouvez-vous expliquer plus en détail l’arrêt de la lumière dans le BEC?

LENE: Le feu stop est venu après le feu lent, oui. Nous ralentissons donc la lumière par des facteurs de 10100 000 000. Nous ne parlons pas comme 30% dans une fenêtre; c’est un facteur de 10100 000 000. Donc, de 200 000 miles par seconde, nous descendons à 15 miles à l’heure et c’est le genre de ralentissement.

Ce qui se passe, c’est qu’avec le ralentissement, l’impulsion lumineuse se comprime également spatialement du même facteur qu’elle ralentit. Donc, maintenant, nous avons un petit nuage d’air froid refroidi à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Il fait vraiment très froid, et le nuage ne mesure que 0,1 millimètre, c’est donc un nuage assez petit que nous détenons dans la chambre à vide.

Ensuite, nous envoyons l’impulsion lumineuse et l’impulsion lumineuse mesure environ un kilomètre de long lorsqu’elle commence dans l’espace libre, puis nous commençons à l’envoyer dans notre nuage atomique. Ce qui se passe, c’est que le bord avant ralentira parce que maintenant cela commence à entrer dans le nuage atomique, mais le bord arrière est toujours dans l’espace libre, donc la queue est ici, et cela continuera à la vitesse normale de la lumière. Donc, maintenant, le bord arrière commencera à rattraper le bord avant pour que cette impulsion lumineuse se compresse comme un petit accordage.

Comme je l’ai dit, il est comprimé par le même facteur que nous le ralentissons, donc d’un mille à 0,02 millimètre, c’est moins d’une demi-épaisseur de cheveu; c’est ainsi que l’impulsion lumineuse finit par être petite. À ce stade, il s’intègre totalement dans le nuage atomique, même si le nuage atomique est plus petit, l’impulsion lumineuse finit par devenir encore plus petite, de sorte qu’elle s’intègre à l’intérieur. Si nous le laissons ensuite se propager, il se propagera très, très lentement à la vitesse du vélo à travers le nuage atomique et finira par commencer à sortir de l’autre côté.

À ce moment-là, l’impulsion lumineuse commencera à sortir. Le bord avant décolle, il accélère et l’impulsion lumineuse s’étire et se retrouve avec exactement la même longueur qu’au début, environ un mile. Ensuite, il finit par avancer, accélère de nouveau et se déplace à la vitesse normale de la lumière élevée, mais une fois que vous l’avez ralenti et comprimé et contenu dans le nuage atomique, l’impulsion lumineuse fait une petite empreinte, comme une petite empreinte holographique dans le nuage atomique.

Donc, cela change réellement l’état interne des atomes dans le condensat lorsqu’ils forment cette empreinte. Cette empreinte suit les impulsions lumineuses alors qu’elle se propage lentement à travers le nuage d’atomes et maintenant, lorsque nous en avons envie, nous pouvons en fait arrêter complètement cette impulsion lumineuse parce qu’elle est complètement contenue dans le nuage d’atomes et nous pouvons simplement l’arrêter complètement, éteindre l’impulsion lumineuse et ensuite conserver l’empreinte holographique. Ensuite, nous pouvons geler cette empreinte dans le nuage atomique et plus tard, nous pouvons décider de transformer cet hologramme en lumière. Nous ravivons l’impulsion lumineuse et l’envoyons comme si de rien n’était.

Intervieweur: Qu’est-ce qui motive actuellement vos recherches ?

LENE: En gros, ce qui motive vraiment nos recherches maintenant, c’est que nous avons trouvé cette méthode par laquelle nous pouvons convertir complètement la lumière en matière et revenir à la lumière sans perte d’informations. Nous avons donc une impulsion lumineuse; nous pouvons créer une copie matérielle parfaite de cette impulsion lumineuse avec exactement les mêmes propriétés et la même forme, le même contenu d’information, et il n’y a pas d’autre moyen de le faire.

Ce que cela nous permet de faire maintenant, c’est que nous pouvons commencer à créer ce qu’on appelle, par exemple, des réseaux quantiques. C’est un peu l’analogue mécanique quantique de l’information, de la communication optique, du réseau de fibres optiques que nous connaissons aujourd’hui où nous aimons envoyer des données dans des fibres optiques, des ondes de données élevées et tout cela et les télécharger sur nos ordinateurs. Mais il y a en quelque sorte une toute autre façon de faire où nous pouvons commencer à envoyer des états quantiques de lumière dans les fibres optiques.

Pour cela, la lumière fonctionne très bien. Vous pouvez encoder des informations en lumière et les envoyer en informations optiques. C’est génial pour le transport, mais le problème est que si vous voulez contrôler les informations optiques, si vous voulez réellement modifier les informations ou si vous voulez les manipuler ou les traiter et que vous voulez déterminer où je dois acheminer ces informations, tout cela nécessite un contrôle de la lumière et c’est l’état quantique de la lumière.

C’est pourquoi vous voulez prendre la lumière et la transformer en forme de matière car sous la forme de la matière, vous pouvez la manipuler extrêmement puissamment, ce que vous ne pouvez pas faire tant qu’elle est sous forme de lumière. Ensuite, sous forme de matière, vous pouvez la manipuler incroyablement puissamment, puis une fois que vous avez terminé, vous la retournez en lumière et l’envoyez vers une autre fibre optique. Donc, ce genre de possibilités est extrêmement excitant et tout cela ouvre tout un champ de possibilités.

Intervieweur: La lumière est utilisée en ce moment pour copier et déplacer des données. En quoi la manipulation de la lumière mécanique quantique diffère-t-elle de cela?

LÈNE: Donc, fondamentalement, ce que vous faites lorsque vous envoyez normalement des impulsions lumineuses sur une fibre optique, c’est qu’elles arrivent à un routeur et vous pouvez ensuite transformer les informations optiques en signaux électroniques. Le problème est que lorsque vous faites cela, vous perdez une grande partie des informations. Vous ne pouvez pas convertir toutes les informations contenues dans l’impulsion lumineuse en signaux électroniques, mais avec les méthodes que nous avons développées, vous pouvez prendre l’impulsion lumineuse et transformer toutes les informations en matière.

Donc, il n’y a absolument aucune perte d’informations? L’amplitude, la phase; les statistiques: combien de photons ai-je dans l’impulsion lumineuse et mécaniquement quantique, je n’ai peut-être pas un nombre exact de photons. Je pourrais en avoir 1 000 et en même temps j’en ai 1 001 et 1 002 en même temps. Cette statistique, comme nous l’appelons, est préservée lorsque nous la transformons en matière. Ensuite, nous pouvons le manipuler sous forme de matière, puis le transformer en lumière afin de préserver toutes les informations. Nous ne perdons rien et il n’y a tout simplement pas d’autre moyen de le faire parce que les méthodes que nous utilisons aujourd’hui perdent une grande partie de l’information.

Intervieweur: Quelle est la différence en termes d’échelle entre votre routeur, le routeur à condensats Bose-Einstein et un routeur électronique?

LENE: Vous pouvez dire qu’en ce moment, nous avons une salle remplie d’optiques et ce n’est pas exactement un système pratique, mais c’est le genre de chose que si vous passez à un nouveau régime, c’est comme ça que tout commence, un gros système prototype. Et, bien sûr, alors ce qui se passerait peut-être, c’est que vous diriez bien, je peux l’utiliser pour une application particulière.

Pourrions-nous créer un système beaucoup plus pratique capable de le faire précisément? Alors tu dirais bien, oui, peut-être qu’on peut. Ensuite, vous diriez en quelque sorte sur quelles propriétés devrions-nous nous concentrer, lesquelles devrions-nous optimiser? Ensuite, vous essaieriez de créer un système pratique autour de cet ensemble de critères de conception. Cela pourrait être quelque chose comme la mise en œuvre de l’expérience que nous avons avec de petites nanostructures comme des structures intégrées à puce à température ambiante. C’est certainement une possibilité passionnante.

Intervieweur: Vous essayez donc de calculer des informations sans détruire l’étrangeté de la mécanique quantique?

LENE: Oui! C’est exact, exactement. On pourrait dire qu’on essaie de fabriquer un ordinateur. En quoi consiste un ordinateur? Un ordinateur se compose de deux ingrédients principaux. Il a une mémoire et un processeur. Nous devons donc être capables de stocker et de conserver les informations optiques sans détruire aucune information et, en même temps, nous devons être capables de les traiter et de les modifier de manière contrôlée.

Nous voulons faire les deux et avec ces derniers résultats où nous transformons la lumière en une copie de matière et pouvons ensuite commencer à changer la copie de matière et ensuite la transformer en lumière, nous pouvons créer un processus d’informations optiques où nous ne détruisons aucune information quantique dans les impulsions lumineuses. Nous les conservons dans sa forme de matière, puis nous la traitons et la transformons ensuite en lumière.

Intervieweur: Où en sommes-nous en ce qui concerne les condensats de Bose-Einstein et la manipulation de la lumière? En sommes-nous au tout début ?

LENE: Oui. Je pense que nous n’avons vraiment vu que la pointe de l’iceberg parce que ce qui est vraiment excitant, c’est que pour la première fois, vous avez de la lumière que vous pouvez transformer en matière sans perte d’informations. La lumière est fantastique pour encoder des informations et transporter ces informations. Mais une fois que vous avez les informations légères que vous transformez en matière, vous disposez de méthodes de traitement extrêmement puissantes.

C’est à ce moment que vous pouvez commencer à manipuler, à traiter les informations et une fois le traitement terminé, vous les retournez en lumière. C’est une configuration extrêmement puissante et absolument unique. Il n’y a pas d’autre moyen de transformer la lumière en matière et de la retourner en lumière et de faire le traitement entre les deux et de faire le tout sur des états de lumière classiques, des états quantiques de lumière. C’est extrêmement puissant.

C’est un système totalement nouveau où nous avons des paradigmes absolument nouveaux que nous pouvons poursuivre. Nous n’en sommes qu’au début de cette série de possibilités, je pense, très excitantes dans ce tout nouveau domaine.