L'intrication quantique peut sembler être plus proche de la science-fiction que n'importe quoi dans notre réalité physique. Mais selon les lois de la mécanique quantique - une branche de la physique qui décrit le monde à l'échelle des atomes et des particules subatomiques - l'intrication quantique, qu'Einstein considérait autrefois avec scepticisme comme "une action effrayante à distance, " est, En réalité, réel.

Imaginez deux grains de poussière aux extrémités opposées de l'univers, séparés par plusieurs milliards d'années-lumière. La théorie quantique prédit que, quelle que soit la grande distance qui les sépare, ces deux particules peuvent être intriquées. C'est-à-dire, toute mesure effectuée sur l'un d'eux transmettra instantanément des informations sur le résultat d'une future mesure sur son partenaire. Dans ce cas, les résultats des mesures sur chaque membre de la paire peuvent devenir fortement corrélés.

Si, au lieu, l'univers se comporte comme Einstein l'avait imaginé - avec des particules ayant les leurs, propriétés définies avant la mesure, et avec des causes locales uniquement capables de produire des effets locaux - alors il devrait y avoir une limite supérieure au degré auquel les mesures sur chaque membre de la paire de particules pourraient être corrélées. Le physicien John Bell a quantifié cette limite supérieure, maintenant connue sous le nom d'« inégalité de Bell, " il y a plus de 50 ans.

Dans de nombreuses expériences précédentes, les physiciens ont observé des corrélations entre les particules dépassant la limite fixée par l'inégalité de Bell, ce qui suggère qu'ils sont bien enchevêtrés, tout comme prédit par la théorie quantique. Mais chacun de ces tests a été soumis à diverses « échappatoires, " des scénarios qui pourraient expliquer les corrélations observées même si le monde n'était pas régi par la mécanique quantique.

Maintenant, physiciens du MIT, l'Université de Vienne, et ailleurs ont corrigé une lacune dans les tests d'inégalité de Bell, connue sous le nom d'échappatoire de la liberté de choix, et ont présenté une forte démonstration d'intrication quantique même lorsque la vulnérabilité à cette faille est considérablement limitée.

« Le parc immobilier laissé aux sceptiques de la mécanique quantique a considérablement diminué, " dit David Kaiser, le professeur Germeshausen d'histoire des sciences et professeur de physique au MIT. "Nous ne nous en sommes pas débarrassés, mais nous l'avons réduit de 16 ordres de grandeur."

Une équipe de recherche comprenant Kaiser; Alain Guth, le professeur de physique Victor F. Weisskopf au MIT; Andrew Friedman, un associé de recherche du MIT ; et collègues de
l'Université de Vienne et d'ailleurs a publié ses résultats aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique .

Fermer la porte aux alternatives quantiques

L'échappatoire de la liberté de choix fait référence à l'idée que les expérimentateurs ont une liberté totale dans le choix de leur configuration expérimentale, des types de particules à enchevêtrer, aux mesures qu'ils choisissent de faire sur ces particules. Mais que se passe-t-il s'il y avait d'autres facteurs ou variables cachées en corrélation avec la configuration expérimentale, faire apparaître les résultats comme étant quantiquement enchevêtrés, alors qu'en fait ils étaient le résultat d'un mécanisme non quantique ?

Les physiciens ont tenté de combler cette lacune avec des expériences extrêmement contrôlées, dans lequel ils produisent une paire de photons intriqués à partir d'une même source, envoyer ensuite les photons vers deux détecteurs différents et mesurer les propriétés de chaque photon pour déterminer leur degré de corrélation, ou enchevêtrement. Pour exclure la possibilité que des variables cachées aient pu influencer les résultats, les chercheurs ont utilisé des générateurs de nombres aléatoires sur chaque détecteur pour décider quelle propriété de chaque photon mesurer, dans la fraction de seconde entre le moment où le photon quitte la source et arrive au détecteur.

Mais il y a une chance, aussi léger soit-il, que les variables cachées, ou influences non quantiques, peut affecter un générateur de nombres aléatoires avant qu'il ne transmette sa décision en une fraction de seconde au détecteur de photons.

"Au cœur de l'intrication quantique se trouve le degré élevé de corrélations dans les résultats des mesures sur ces paires [de particules], " dit Kaiser. " Mais que se passerait-il si un sceptique ou un critique insistait sur le fait que ces corrélations n'étaient pas dues à ces particules agissant d'une manière entièrement mécanique quantique ? Nous voulons déterminer s'il existe un autre moyen par lequel ces corrélations auraient pu se faufiler sans que nous l'ayons remarqué."

"Étoiles alignées"

En 2014, Kaiser, Friedman, et leur collègue Jason Gallicchio (maintenant professeur au Harvey Mudd College) ont proposé une expérience pour utiliser d'anciens photons provenant de sources astronomiques telles que les étoiles ou les quasars comme « générateurs de paramètres cosmiques, " plutôt que des générateurs de nombres aléatoires sur Terre, pour déterminer les mesures à effectuer sur chaque photon intriqué. Une telle lumière cosmique arriverait sur Terre à partir d'objets très éloignés, allant de dizaines à des milliards d'années-lumière. Ainsi, si certaines variables cachées venaient interférer avec l'aléatoire du choix des mesures, ils auraient dû déclencher ces changements avant que la lumière ne quitte la source cosmique, bien avant que l'expérience sur Terre ne soit menée.

Dans ce nouveau papier, les chercheurs ont démontré leur idée expérimentalement pour la première fois. L'équipe, dont le professeur Anton Zeilinger et son groupe au

Université de Vienne et l'Académie autrichienne des sciences, mis en place une source pour produire des paires de photons fortement intriqués sur le toit d'un laboratoire universitaire à Vienne. Dans chaque essai expérimental, ils ont tiré les photons intriqués dans des directions opposées, vers des détecteurs situés dans des bâtiments à plusieurs pâtés de maisons de la ville - la Banque nationale autrichienne et un deuxième bâtiment universitaire.

Les chercheurs ont également installé des télescopes sur les deux sites de détection et les ont entraînés sur des étoiles, dont la plus proche est à environ 600 années-lumière, qu'ils avaient déterminé auparavant enverrait suffisamment de photons, ou la lumière des étoiles, dans leur direction.

« Ces nuits-là, les étoiles alignées, " dit Friedman. " Et avec des étoiles brillantes comme celles-ci, le nombre de photons entrant peut être comme une lance à incendie. Nous avons donc ces détecteurs très rapides qui peuvent enregistrer des détections de photons cosmiques sur des échelles de temps inférieures à la nanoseconde."

"Détraqué" avec Einstein

Dans les quelques microsecondes avant qu'un photon intriqué n'arrive à un détecteur, les chercheurs ont utilisé chaque télescope pour mesurer rapidement une propriété d'un photon stellaire entrant - dans ce cas, si sa longueur d'onde était plus rouge ou plus bleue qu'une longueur d'onde de référence particulière. Ils ont ensuite utilisé cette propriété aléatoire du photon stellaire, généré il y a 600 ans par son étoile, pour déterminer quelle propriété des photons intriqués entrants mesurer. Dans ce cas, les photons stellaires rouges signalaient à un détecteur de mesurer la polarisation d'un photon intriqué dans une direction particulière. Un photon stellaire bleu réglerait l'appareil pour mesurer la polarisation de la particule intriquée dans une direction différente.

L'équipe a mené deux expériences, avec chaque essai expérimental durant seulement trois minutes. Dans chaque cas, les chercheurs en ont mesuré environ 100, 000 paires de photons intriqués. Ils ont constaté que les mesures de polarisation des paires de photons étaient fortement corrélées, bien au-delà de la limite fixée par l'inégalité de Bell, d'une manière qui s'explique le plus facilement par la mécanique quantique.

"Nous trouvons des réponses cohérentes avec la mécanique quantique à un degré extrêmement fort, et énormément détraqué avec une prédiction à la Einstein, " dit Kaiser.

Les résultats représentent des améliorations de 16 ordres de grandeur par rapport aux efforts précédents pour combler l'échappatoire de la liberté de choix.

"Toutes les expériences précédentes auraient pu être soumises à cette échappatoire étrange pour expliquer les résultats quelques microsecondes avant chaque expérience, contre nos 600 ans, " dit Kaiser. " C'est donc une différence d'un millionième de seconde par rapport à 600 ans de secondes, soit 16 ordres de grandeur. "

"Cette expérience repousse l'heure la plus tardive à laquelle le complot aurait pu commencer, " Guth ajoute. " Nous disons, pour qu'un mécanisme fou simule
la mécanique quantique dans notre expérience, ce mécanisme devait être en place il y a 600 ans pour planifier notre expérience ici aujourd'hui, et d'avoir envoyé des photons des bons messages pour finir par reproduire les résultats de la mécanique quantique. C'est donc très tiré par les cheveux."

Il y a aussi un deuxième, possibilité tout aussi farfelue, dit Michael Hall, chercheur principal à l'Université Griffith de Brisbane, Australie.

"Lorsque les photons des étoiles lointaines atteignent les appareils qui déterminent les paramètres de mesure, il est possible que ces appareils agissent en quelque sorte pour changer les couleurs des photons, d'une manière corrélée avec le laser produisant l'intrication, " dit Hall, qui n'a pas participé aux travaux. "Cela ne nécessiterait qu'une conspiration vieille de 10 microsecondes entre les appareils et le laser. Cependant, l'idée que les photons ne montrent pas leurs « vraies couleurs » lorsqu'ils sont détectés renverserait toute l'astronomie d'observation et l'électromagnétisme de base. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.