http://www.defense.gouv.fr/sites/dga/dossiers/presentation_des_travaux_de_philippe_grangier
Présentation des travaux de Philippe Grangier
Philippe Grangier est né en 1957. Il est ancien élève de l’ENS de Cachan
et agrégé de physique. Après une thèse de 3e cycle et une thèse d’état
consacrées à la mise en évidence de propriétés quantiques de la lumière,
sous la direction de A. Aspect, Philippe Grangier va choisir une voie
personnelle en optique quantique : il s’agit d’utiliser les propriétés
quantiques de la lumière pour aller au-delà de ce qu’on appelle la limite
quantique standard, longtemps considérée comme une limite ultime, mais qui
n’est que la limite imposée par les relations de Heisenberg appliquées à
la lumière délivrée par les sources classiques (lampes à incandescence ou
à décharge, diodes électroluminescentes ou autre laser). En fait, on a
compris au tournant des années 1970-1980 (et l’expérience de thèse de
Philippe Grangier, très citée, a contribué à cette clarification) qu’il
est possible de générer d’autres types de lumière où il est possible de
jouer avec les relations de Heisenberg et de réduire la dispersion sur une
observable à mesurer au prix d’une augmentation de la dispersion sur
l’observable complémentaire à laquelle on ne s’intéresse pas. Pour donner
un exemple simple, dans un état de la lumière où le nombre de photons N
est parfaitement déterminé (état de Fock), on peut réaliser des mesures
d’intensité à mieux que le bruit de photon standard ÖN (qui correspond aux
états quasi classiques de Glauber où le nombre de photons est une variable
aléatoire de Poisson).
La première contribution de Philippe Grangier dans le domaine des mesures
sous la limite quantique standard a été un travail remarquable lors d’un
séjour post-doctoral aux Bell laboratories en 1986-1987 : Philippe
Grangier a démontré expérimentalement la possibilité d’améliorer la
sensibilité des mesures interférométriques au-delà de la limite quantique
standard en utilisant des états comprimés de la lumière.
De retour en France après son recrutement au CNRS, il prend la
responsabilité de l’activité en optique quantique à l’institut optique,
laissée vacante par le départ de A. Aspect (qui a rejoint C.
Cohen-Tannoudji pour démarrer le groupe atomes froids de l’ENS avec J.
Dalibard et C. Salomon). Il se lance alors dans le problème des « mesures
quantiques non-destructives » (mesures QND). Il s’agit encore de mesurer
une grandeur à mieux que la limite quantique standard, mais, en plus, on
demande que la perturbation inévitable du système par la mesure n’entraîne
aucune dispersion supplémentaire sur l’observable mesurée (le prix à payer
est la perturbation forte de l’observable complémentaire, ce qui n’est pas
gênant si on ne s’y intéresse pas). Parmi les résultats de la petite
équipe que Philippe Grangier constitue autour de lui, citons un record
mondial d’efficacité de mesures QND d’intensité lumineuse, la réalisation
de mesures quantiques répétées sur le même signal, et le prélèvement
non-destructif d’informations sur un faisceau modulé de type télécom (en
collaboration avec le CNET Bagneux). Une décennie de travaux du groupe
Grangier sur ce thème est synthétisée par un article de la revue Nature en
1998.
Une autre direction de recherche, poursuivie en 1994, a été l’étude du
bruit quantique d’intensité de diodes laser, qui peut être réduit en
dessous du bruit de photons en alimentant la diode par un courant qui est
lui-même sub-poissonnien. La mise en évidence par Philippe Grangier de
plusieurs effets physiques qui n’avaient pas été identifiés clairement
auparavant, et qui sont en particulier liés à la structure modale
(longitudinale et transverse) du laser, a permis d’établir un lien entre
les mécanismes contribuant à l’excès de bruit quantique d’intensité, et
d’autres mécanismes connus en physique des lasers (facteur de Henry,
facteur de Petermann). Des discussions se poursuivent avec des industriels
afin d’exploiter ces résultats pour réduire le bruit des diodes laser ou
des amplificateurs à semi-conducteur commerciaux.
Depuis 1998-2000, Philippe Grangier a orienté ses recherches vers les
applications de l’optique quantique au traitement quantique de
l’information. Dans ce contexte, l’information est codée et manipulée sous
forme de « bits quantiques » (qubits), qui sont en fait des systèmes
quantiques - et non plus classiques - à deux états. Cette nouvelle
orientation a débouché de manière spectaculaire en 2002-2003 avec
plusieurs premières mondiales à l’actif de Philippe Grangier et son
équipe. Il s’agit d’abord du piégage d’atomes individuels dans des pièges
optiques dipolaires, ce qui constitue un nouveau type de qubit. Puis ont
été réalisées deux expériences originales de cryptographie quantique : la
première utilise pour la première fois une source émettant vraiment des
photons « un par un », en isolant la fluorescence de centres colorés
individuels dans un nanocristal de diamant. La seconde introduit un
protocole de cryptographie quantique entièrement nouveau qui utilise des
impulsions lasers usuelles, modulées en phase et en amplitude, et des
méthodes de détection cohérente plutôt que des techniques de comptage de
photon.
En résumé, l’activité de Philippe Grangier en fait un leader mondial dans
le domaine de l’application des concepts de base de l’optique quantique à
des problèmes qui intéressent particulièrement la Défense. La
cryptographie quantique a été portée à un niveau de développement qui en
fait une technique utilisable pour les communications ultra sécurisées. La
recherche dans le domaine du calcul quantique est également d’intérêt
stratégique puisque la réalisation d’un ordinateur quantique remettrait en
cause la plupart des méthodes de communication sécurisée en usage
aujourd’hui.
Informations complémentaires :
Philippe Grangier a reçu divers prix en France et à l’étranger, dont le
prix Pierson-Perrin 1987 de l’Académie des sciences, le prix Aimé Cotton
1988 de la Société française de physique, le prix Carl Zeiss 1998
(Ernst-Abbe foundation, Allemagne) et la médaille d’argent du CNRS en 2002.
