Un théorème vieux de 350 ans permet d’expliquer les propriétés quantiques de la lumière

La lumière peut se comporter à la fois comme une onde et comme une particule, ce qui a longtemps déconcerté les scientifiques. Si cette dualité constitue la pierre angulaire de la mécanique quantique, une équipe s’est récemment appuyée sur son homologue classique pour expliquer deux de ses propriétés : la polarisation et l’intrication.

Utiliser la mécanique classique pour expliquer des propriétés quantiques

La première est la capacité des ondes lumineuses à avoir une orientation (un phénomène exploité dans les lunettes de soleil pour filtrer une partie de la lumière), et la seconde celle des photons intriqués à former un système quantique dont les parties restent connectées quelle que soit la distance les séparant. Toute modification de l’une d’entre elles affectant instantanément l’autre.

Lire aussi Pour la première fois, des atomes agissant comme des ondes quantiques capturés en haute résolution

Si ces phénomènes semblent très éloignés de ceux relevant de la mécanique classique, une équipe de chercheurs a récemment établi une analogie entre la polarisation de la lumière et le théorème de Huygens-Steiner. Vieux de 350 ans, celui-ci explique la rotation d’un corps solide par rapport à un axe ne passant passe pas par son centre de masse, et est notamment utilisé pour étudier des objets célestes.

« Il s’agit d’un théorème mécanique bien établi permettant d’expliquer le fonctionnement de systèmes physiques tels que les horloges ou les prothèses », explique Xiaofeng Qian, du Stevens Institute of Technology, auteur principal de la nouvelle étude, publiée dans la revue Physical Review Research. « Mais nous avons pu montrer qu’il peut également offrir de nouvelles perspectives sur le comportement de la lumière. »

Une première

Les chercheurs ont utilisé l’intensité de la lumière comme analogue de la masse d’un objet physique, et le reste des propriétés a pu être déduit en suivant la structure du théorème.

Lire aussi Vivons-nous dans une simulation ? Oui, selon ce physicien qui étudie le Covid-19

« Essentiellement, nous avons trouvé un moyen de traduire un système optique afin de pouvoir le visualiser comme un système mécanique, puis de le décrire à l’aide d’équations physiques bien établies, ce qui n’avait jamais été réalisé auparavant », résume Qian. « À l’aide d’équations mécaniques, on peut littéralement mesurer la distance entre le ‘centre de masse’ et d’autres points mécaniques pour montrer comment les différentes propriétés de la lumière sont liées les unes aux autres. »

La raison pour laquelle ces relations existent et pourquoi l’approche utilisée fonctionne si bien reste à ce stade peu claire. La compréhension de ce lien pourrait avoir des implications importantes pour notre compréhension des propriétés quantiques et leur exploitation.