Serge Haroche : l'homme qui a capturé la lumière sans la tuer

Serge Haroche a passé quinze ans à poursuivre un seul photon dans une boîte à miroirs, essayant de le voir sans le détruire — une prouesse que les physiciens qualifiaient d'impossible depuis les débuts de la mécanique quantique. Lorsqu'il y est enfin parvenu en 2006, il n'avait pas seulement mesuré la lumière ; il avait regardé un chat de Schrödinger mourir en temps réel, image par image, et capturé le moment où la réalité quantique s'effondre dans le monde ordinaire.

De Casablanca à l'École normale

Haroche est né le 11 septembre 1944 à Casablanca, alors au Maroc français, dans un foyer bilingue — le russe de sa mère Valentine Roubleva, dont la famille avait fui la Révolution bolchevique, et le français de son père avocat Albert, dont les parents avaient été éducateurs à l'Alliance israélite universelle. La famille a déménagé à Paris en 1956 après l'indépendance du Maroc, un changement climatique et culturel déchirant pour un garçon qui avait grandi avec les orangers et la côte atlantique. Au lycée Louis-le-Grand, il a bachoté pour les concours d'entrée exigeants de France et, en 1963, s'est classé premier au niveau national à la fois pour l'École polytechnique et pour l'École normale supérieure. Il a choisi l'ENS, la jugeant meilleure rampe de lancement pour une carrière scientifique, et y est tombé sous le charme de trois formidables professeurs : Alfred Kastler pour l'intuition physique, Jean Brossel pour la rigueur expérimentale, et Claude Cohen-Tannoudji, qui est devenu son directeur de thèse.

Atomes habillés et détour californien

Sous la direction de Cohen-Tannoudji, Haroche a développé l'image de l'« atome habillé » — traitant un atome baigné dans un rayonnement radiofréquence comme un atome perpétuellement drapé dans un nuage de photons, une reformulation qui a donné à la spectroscopie micro-ondes un vocabulaire véritablement quantique. Il a terminé son doctorat en 1971 et a accepté un poste postdoctoral à Stanford auprès du pionnier du laser Arthur Schawlow, qui lui a laissé une maxime qu'il répétera pendant des décennies : le succès dans la recherche ne nécessite pas une connaissance encyclopédique mais quelques choses que personne d'autre ne sait. Travaillant avec l'étudiant diplômé Jeffrey Paisner, il a étudié les battements quantiques atomiques et a présenté les résultats lors d'une conférence à Vail en 1973 — son premier vrai goût du circuit international de la physique.

Construire des cavités à Paris

De retour à Paris en 1973, Jean Brossel lui a donné un espace de laboratoire à l'ENS, et Haroche a commencé, avec l'étudiant Michel Gross, une étude systématique des atomes de Rydberg — des atomes pompés dans d'énormes et fragiles orbites électroniques proches du point d'ionisation. Au cours de la décennie suivante, le groupe s'est agrandi : Claude Fabre, puis Jean-Michel Raimond, puis le spécialiste des micro-ondes Philippe Goy, et plus tard Michel Brune. Ensemble, ils ont construit l'appareil qui allait définir la carrière de Haroche — des cavités supraconductrices refroidies si près du zéro absolu, et polies si précisément, qu'un seul photon micro-onde pouvait rebondir à l'intérieur pendant un dixième de seconde, parcourant la distance équivalente de la Terre à la Lune avant de mourir. Les atomes de Rydberg, sensibles au moindre choc électromagnétique, étaient envoyés un par un à travers la cavité comme des détecteurs vivants, capables d'enregistrer la présence d'un photon sans l'absorber.

Attraper le chat de Schrödinger en flagrant délit

L'idée décisive est venue d'une conversation transatlantique. En visite à Rio de Janeiro en 1989, Jean-Michel Raimond a commencé à échanger des idées avec les théoriciens Luiz Davidovich et Nicim Zagury sur le comptage non destructif des photons — un schéma qui, en principe, pourrait également générer et sonder des états de « chat de Schrödinger », dans lesquels un champ de lumière existe dans deux conditions contradictoires à la fois. Un article de 1991 dans Physics Today de Wojciech Zurek a convaincu Haroche que l'expérience était à portée de main. Il a fallu quinze ans de plus de construction de cavités pour y arriver. En 2006, avec les postdoctorants Stefan Kuhr et Igor Dotsenko, l'équipe a réalisé une série de premières : ils ont compté des photons micro-ondes individuels sans les détruire, ont observé un champ sauter entre des états quantiques en temps réel, ont préparé de véritables états de chat de Schrödinger de lumière, et enfin — résultat culminant — ont mesuré directement la décohérence, regardant la superposition se dissoudre en un comportement classique ordinaire étape par étape. C'était la première vidéo expérimentale directe, en effet, de la mécanique quantique se transformant en monde quotidien.

Le Nobel et ce qui a suivi

Le 9 octobre 2012, l'Académie royale des sciences de Suède a décerné à Haroche le prix Nobel de physique, partagé avec le physicien américain David J. Wineland, « pour des méthodes expérimentales révolutionnaires permettant de mesurer et de manipuler des systèmes quantiques individuels ». Wineland avait réalisé des exploits parallèles avec des ions piégés ; Haroche l'avait fait avec des photons et des atomes — deux routes vers la même frontière, contrôlant des objets quantiques uniques sans détruire la propriété fragile qui les rend quantiques. Haroche a déclaré plus tard que l'ampleur de l'attention publique qui a suivi a dépassé même celle de la médaille d'or du CNRS, qu'il avait reçue en 2009, et qu'il a dû apprendre à dire non simplement pour se protéger du temps pour continuer à travailler. La même année, il a été élu administrateur du Collège de France, où il occupait la chaire de physique quantique depuis 2001 après avoir été recruté par Cohen-Tannoudji et Pierre-Gilles de Gennes ; il a servi comme administrateur jusqu'en 2015. Il a également occupé des postes de visiteur ou à temps partiel à Yale, au MIT, à Harvard et à l'École polytechnique, et plus tard une chaire Fermi à l'université Sapienza de Rome en 2022.

Pourquoi Serge est qualifié de génie

Le génie de Haroche est étroit, profond et presque entièrement expérimental — la patience de passer quinze ans à perfectionner un miroir. Sa contribution intellectuelle réelle n'était pas une nouvelle équation mais un environnement contrôlé : une cavité assez propre et froide, et un schéma de détection assez doux, pour permettre aux physiciens de voir mourir la superposition quantique au lieu de simplement déduire qu'elle doit le faire. C'est un genre de génie différent de celui d'Einstein ou de Feynman — plus proche de celui d'un maître facteur d'instruments — et Haroche lui-même l'attribue à la collaboration plutôt qu'à une brillance solitaire, insistant sur le fait que « le temps et la confiance » comptaient plus que l'argent dans son laboratoire. La citation du comité Nobel qualifie les travaux de « révolutionnaires », l'utilisation la plus lourde institutionnellement du mot disponible en physique, et les collègues ont longtemps décrit le programme d'électrodynamique quantique en cavité Kastler-Brossel qu'il a bâti comme ouvrant tout un sous-domaine, la science de l'information quantique, à l'épreuve expérimentale. Le contre-argument honnête : Haroche n'a pas découvert la décohérence théoriquement — Zurek et d'autres l'avaient décrite des années plus tôt — et son triomphe a été de confirmer une prédiction connue, de manière exquise, plutôt que d'en concevoir une. Cela récompense le métier, la ténacité et la culture de laboratoire autant que l'intuition pure.

Héritage

Les techniques d'électrodynamique quantique en cavité de Haroche sont devenues des outils fondamentaux pour l'informatique quantique et la correction d'erreurs quantiques, domaines qui occupent désormais des milliers de chercheurs et plusieurs grandes entreprises technologiques. Il reste professeur émérite au Collège de France, et le livre qu'il a coécrit avec Raimond, Exploring the Quantum: Atoms, Cavities and Photons (2006), est toujours une référence standard pour le domaine qu'il a contribué à inventer.