Le prix Nobel de physique 2022 a récompensé trois scientifiques qui ont apporté des contributions révolutionnaires à la compréhension de l'un des phénomènes naturels les plus mystérieux :l'intrication quantique.
En termes simples, l’intrication quantique signifie que les aspects d’une particule d’une paire intriquée dépendent des aspects de l’autre particule, quelle que soit leur distance ou ce qui les sépare. Ces particules pourraient être, par exemple, des électrons ou des photons, et un aspect pourrait être l'état dans lequel elles se trouvent, par exemple si elles « tournent » dans une direction ou une autre.
La partie étrange de l’intrication quantique est que lorsque vous mesurez quelque chose sur une particule dans une paire intriquée, vous savez immédiatement quelque chose sur l’autre particule, même si elles sont distantes de millions d’années-lumière. Cette étrange connexion entre les deux particules est instantanée et semble enfreindre une loi fondamentale de l’univers. Albert Einstein a qualifié ce phénomène d'« action effrayante à distance ».
Après avoir passé la majeure partie de deux décennies à mener des expériences ancrées dans la mécanique quantique, j’en suis venu à accepter son étrangeté. Grâce à des instruments toujours plus précis et fiables et aux travaux des lauréats du prix Nobel de cette année, Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger, les physiciens intègrent désormais les phénomènes quantiques dans leur connaissance du monde avec un degré de certitude exceptionnel.
Cependant, même jusque dans les années 1970, les chercheurs étaient encore divisés sur la question de savoir si l’intrication quantique était un phénomène réel. Et pour cause :qui oserait contredire le grand Einstein, qui en doutait lui-même ? Il a fallu le développement de nouvelles technologies expérimentales et des chercheurs audacieux pour enfin lever ce mystère.
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Pour vraiment comprendre le côté effrayant de l’intrication quantique, il est important de comprendre d’abord la superposition quantique. La superposition quantique est l’idée selon laquelle les particules existent simultanément dans plusieurs états. Lorsqu'une mesure est effectuée, c'est comme si la particule sélectionnait l'un des états de la superposition.
Par exemple, de nombreuses particules ont un attribut appelé spin qui est mesuré soit « vers le haut », soit « vers le bas » pour une orientation donnée de l'analyseur. Mais jusqu'à ce que vous mesuriez la rotation d'une particule, elle existe simultanément dans une superposition de rotation ascendante et descendante.
Une probabilité est attachée à chaque état et il est possible de prédire le résultat moyen à partir de nombreuses mesures. La probabilité qu'une seule mesure soit à la hausse ou à la baisse dépend de ces probabilités, mais est elle-même imprévisible.
Bien que très étranges, les mathématiques et un grand nombre d'expériences ont montré que la mécanique quantique décrit correctement la réalité physique.
Le caractère effrayant de l'intrication quantique émerge de la réalité de la superposition quantique et était clair pour les pères fondateurs de la mécanique quantique qui ont développé la théorie dans les années 1920 et 1930.
Pour créer des particules intriquées, vous divisez essentiellement un système en deux, dont la somme des parties est connue. Par exemple, vous pouvez diviser une particule de spin nul en deux particules qui auront nécessairement des spins opposés pour que leur somme soit nulle.
En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen ont publié un article décrivant une expérience de pensée conçue pour illustrer l'apparente absurdité de l'intrication quantique qui remettait en question une loi fondamentale de l'univers.
Une version simplifiée de cette expérience de pensée, attribuée à David Bohm, considère la désintégration d'une particule appelée méson pi. Lorsque cette particule se désintègre, elle produit un électron et un positon qui ont des spins opposés et s’éloignent l’un de l’autre. Par conséquent, si le spin de l’électron est mesuré comme étant ascendant, alors le spin mesuré du positon ne pourrait être qu’en baisse, et vice versa. Cela est vrai même si les particules sont distantes de plusieurs milliards de kilomètres.
Ce serait bien si la mesure du spin de l'électron était toujours élevée et celle du spin mesuré du positon toujours inférieure. Mais à cause de la mécanique quantique, le spin de chaque particule est à la fois partiellement ascendant et partiellement descendant jusqu'à ce qu'il soit mesuré. Ce n'est que lorsque la mesure a lieu que l'état quantique du spin « s'effondre » vers le haut ou vers le bas, effondrant instantanément l'autre particule dans le spin opposé. Cela semble suggérer que les particules communiquent entre elles par des moyens qui se déplacent plus rapidement que la vitesse de la lumière. Mais selon les lois de la physique, rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. L'état mesuré d'une particule ne peut sûrement pas déterminer instantanément l'état d'une autre particule à l'extrémité de l'univers ?
Les physiciens, dont Einstein, ont proposé un certain nombre d’interprétations alternatives de l’intrication quantique dans les années 1930. Ils ont émis l’hypothèse qu’il existait une propriété inconnue – appelée variables cachées – qui déterminait l’état d’une particule avant la mesure. Mais à l'époque, les physiciens ne disposaient pas de la technologie ni d'une définition d'une mesure claire permettant de vérifier si la théorie quantique devait être modifiée pour inclure des variables cachées.
Il a fallu attendre les années 1960 pour trouver une réponse. John Bell, un brillant physicien irlandais qui n'a pas vécu jusqu'à recevoir le prix Nobel, a conçu un système pour tester si la notion de variables cachées avait un sens.
Bell a produit une équation désormais connue sous le nom d'inégalité de Bell qui est toujours correcte – et seulement correcte – pour les théories des variables cachées, et pas toujours pour la mécanique quantique. Ainsi, si l'équation de Bell s'avérait non satisfaite dans une expérience réelle, les théories locales des variables cachées pourraient être exclues comme explication de l'intrication quantique.
Les expériences des lauréats du Nobel 2022, notamment celles d'Alain Aspect, ont été les premiers tests de l'inégalité de Bell. Les expériences utilisaient des photons intriqués, plutôt que des paires d'électrons et de positrons, comme dans de nombreuses expériences de pensée. Les résultats ont définitivement exclu l’existence de variables cachées, un attribut mystérieux qui prédéterminerait les états des particules intriquées. Collectivement, ces expériences et de nombreuses autres ont confirmé la mécanique quantique. Les objets peuvent être corrélés sur de grandes distances d'une manière que la physique avant la mécanique quantique ne pouvait pas expliquer.
Il est important de noter qu’il n’y a pas non plus de conflit avec la relativité restreinte, qui interdit les communications plus rapides que la lumière. Le fait que les mesures sur de grandes distances soient corrélées n’implique pas que des informations soient transmises entre les particules. Deux équipes éloignées effectuant des mesures sur des particules intriquées ne peuvent pas utiliser ce phénomène pour transmettre des informations à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière.
Aujourd'hui, les physiciens continuent de rechercher l'intrication quantique et d'étudier de potentielles applications pratiques. Bien que la mécanique quantique puisse prédire la probabilité d’une mesure avec une précision incroyable, de nombreux chercheurs restent sceptiques quant à la possibilité qu’elle fournisse une description complète de la réalité. Une chose est sûre cependant. Il reste beaucoup à dire sur le monde mystérieux de la mécanique quantique.
Andreas Müller est professeur agrégé de physique à l'Université de Floride du Sud. Il reçoit un financement de la National Science Foundation.
Cet article est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Vous pouvez trouver le article original ici.
