Soutenance Gautier Depambour

Gautier Depambour a le grand plaisir de vous annoncer la soutenance publique de sa thèse de doctorat en histoire des sciences et des techniques, intitulée

Émergence de l’optique quantique des années 1950 à 1980

et menée sous la direction d’Olivier DARRIGOL (Directeur de Recherche émérite, CNRS, laboratoire SPHERE) et Alain ASPECT (Professeur, Université Paris-Saclay, Institut d’Optique).

La soutenance aura lieu le mercredi 12 juin à 14h00 dans l’amphithéâtre Pierre-Gilles de Gennes du bâtiment Condorcet de l’Université Paris Cité (4 rue Elsa Morante, 75013 Paris), devant un jury composé des deux directeurs et :

– M. Olival FREIRE, Professeur à l’Université fédérale de Bahia, rapporteur,

– Mme Arianna BORRELLI, Docteur à l’Université technique de Berlin, rapporteuse,

– M. David KAISER, Professeur au Massachusetts Institute of Technology, examinateur,

– Mme Sara DUCCI, Professeur à l’Université Paris Cité, examinatrice,

– Mme Nadine DE COURTENAY, Maître de Conférences à l’Université Paris Cité, examinatrice,

– M. Philippe GRANGIER, Directeur de Recherches à l’Institut d’Optique, membre invité.

Résumé de la thèse :

Cryptographie quantique, simulation quantique, métrologie quantique, ou ordinateur quantique : nombreux sont les champs de recherche actuels qui exploitent les propriétés quantiques de la lumière. Pourtant, la quantification du rayonnement en optique n’a pas toujours été une évidence. Jusqu’au début des années 1960, toutes les recherches menées dans ce domaine sont fondées sur la théorie classique de la lumière établie au XIX^e siècle. La situation évolue en 1956 avec la découverte de l’effet Hanbury-Brown et Twiss qui inaugure les expériences sur les statistiques de photons, puis en 1960 avec l’invention du laser qui va apporter de profonds changements dans la pratique de l’optique. Ces deux événements incitent Roy Glauber à forger une nouvelle théorie quantique de la cohérence et à établir ainsi les fondements théoriques de l’optique quantique. Mais cette nouvelle façon de décrire le rayonnement ne fait pas l’unanimité : certains physiciens, dont Emil Wolf et Edwin Jaynes, soutiennent que l’approche semi-classique (où la matière est quantifiée, mais pas le rayonnement) demeure la plus pertinente pour rendre compte des phénomènes d’optique. Dans cette thèse, nous chercherons à comprendre comment la quantification du rayonnement va progressivement s’imposer en optique et comment l’optique quantique va se constituer comme champ de recherche. Nous nous concentrerons sur trois voies de développement de l’optique quantique, principalement aux États-Unis et en France. La première est celle de Leonard Mandel qui, d’abord réticent à la théorie quantique de la cohérence, va mener à l’Université de Rochester de multiples expériences démontrant le caractère quantique du rayonnement libre, comme l’”effet Hong-Ou-Mandel”. La seconde voie concerne la quantification du rayonnement en interaction avec la matière dans le domaine de la physique atomique, à travers les recherches de Claude Cohen-Tannoudji au Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne à Paris. La troisième porte sur les fondements de la mécanique quantique et sur les expériences sur les inégalités de Bell, en particulier celles de John Clauser et Alain Aspect. De façon plus générale, nous insisterons sur la diversité des facteurs théoriques, techniques, sociologiques, économiques et institutionnels qui ont permis l’émergence de l’optique quantique, afin de restituer toute la complexité de cet épisode crucial de l’histoire de la physique.

Abstract :

Quantum cryptography, quantum simulation, quantum metrology, or quantum computing: many current research fields exploit the quantum properties of light. However, the quantification of radiation in optics has not always been regarded as a natural step. Until the early 1960s, all research in optics was based on the classical theory of light established in the 19^th century. The situation evolved in 1956 with the discovery of the Hanbury-Brown and Twiss effect, which inaugurated experiments on photon statistics, and then in 1960 with the invention of the laser, which brought profound changes in the practice of optics. These two events motivated Roy Glauber to develop a new quantum theory of coherence and thus to establish the theoretical foundations of quantum optics. This new way of describing radiation was not universally approved: some physicists, including Emil Wolf and Edwin Jaynes, argued that the semi-classical approach (where matter is quantized but not radiation) remained the best for explaining optical phenomena. In this thesis, we will explain how the quantification of radiation gradually became accepted in optics and how quantum optics emerged as a research field. For this purpose, we will address three ways of developing of quantum optics, mainly in the United States and France. The first way concerns the work of Leonard Mandel, who was initially skeptical of the quantum theory of coherence, and was then led to conduct multiple experiments at the University of Rochester demonstrating the quantum nature of free radiation, such as the “Hong-Ou-Mandel effect”. The second way deals with the quantification of radiation interacting with matter in the field of atomic physics, as exemplified in the work of Claude Cohen-Tannoudji at the Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne of the ENS in Paris. The third way addresses the foundations of quantum mechanics through experiments on Bell’s inequalities, particularly those of John Clauser and Alain Aspect. All along this work, we will emphasize the diversity of factors–both theoretical, technical, sociological, economic and institutional–that permitted the emergence of quantum optics, in order to fully capture the complexity of this crucial episode in the history of physics.