(Phys.org)—Les physiciens se rapprochent un peu plus de la réponse à l'une des questions les plus anciennes et les plus fondamentales de la théorie quantique :l'état quantique représente-t-il la réalité ou simplement notre connaissance de la réalité ?

George C. Genou, un physicien théoricien à l'Université d'Oxford et à l'Université de Warwick, a créé un algorithme pour concevoir des expériences optimales qui pourraient fournir la preuve la plus solide à ce jour que l'état quantique est un état ontique (un état de réalité) et non un état épistémique (un état de connaissance). Knee a publié un article sur la nouvelle stratégie dans un récent numéro de la Nouveau Journal de Physique .

Alors que les physiciens débattent de la nature de l'état quantique depuis les débuts de la théorie quantique (avec, le plus célèbre, Bohr étant en faveur de l'interprétation ontique et Einstein plaidant pour l'épistémique), la plupart des preuves modernes ont soutenu l'idée que l'état quantique représente en effet la réalité.

Philosophiquement, cette interprétation peut être difficile à avaler, car cela signifie que les nombreuses caractéristiques contre-intuitives de la théorie quantique sont des propriétés de la réalité, et non en raison des limitations de la théorie. L'une de ces caractéristiques les plus remarquables est la superposition. Avant qu'un objet quantique soit mesuré, la théorie quantique dit que l'objet existe simultanément dans plus d'un état, chacun avec une probabilité particulière. Si ces états sont ontiques, cela signifie qu'une particule occupe réellement deux états à la fois, non seulement qu'il semble ainsi en raison de notre capacité limitée à préparer des particules, comme dans la vision épistémique.

Qu'entend-on exactement par une capacité limitée à préparer des particules ? Pour comprendre cela, Knee explique que différents états quantiques doivent être considérés comme des distributions sur les vrais états possibles de la réalité. S'il y a un certain chevauchement entre ces distributions, alors les états de réalité dans lesquels une particule peut être préparée sont limités.

Actuellement, il n'est pas clair s'il existe réellement un chevauchement entre les distributions d'états quantiques. S'il n'y a aucun chevauchement, alors la particule doit vraiment occuper deux états à la fois, qui est la vue ontique. D'autre part, s'il y a chevauchement, alors il est possible que la particule existe dans un état dans la zone de chevauchement, et nous ne pouvons tout simplement pas faire la différence entre les deux possibilités en raison du chevauchement. C'est le point de vue épistémique, et il supprime une partie de l'étrangeté de la superposition en expliquant que l'indiscernabilité de deux états est le résultat d'un chevauchement (et d'une limitation humaine) plutôt que de la réalité.

Poser la question en termes de chevauchement offre un moyen de tester les deux perspectives. Si les physiciens peuvent montrer que l'indiscernabilité des états quantiques peut en quelque sorte s'expliquer par la réalité et ne pas se chevaucher, alors cela impose des restrictions plus strictes sur la vue épistémique et rend la vue ontique plus plausible.

Une clé de ces tests est que la tâche de discrimination entre deux états comporte toujours une petite erreur. Ayant terminé, une connaissance omnisciente de la réalité devrait améliorer la discrimination étatique. Mais de combien ? C'est la grande question, et les physiciens tentent de montrer que la valeur de cette "amélioration due à la réalité augmentée des états quantiques" est très grande. Cela signifierait que le chevauchement joue très peu, si seulement, rôle pour expliquer pourquoi les États sont indiscernables. Ce n'est pas simplement que les physiciens ne peuvent pas préparer avec précision le véritable état de réalité, c'est que l'indiscernabilité doit être considérée comme une propriété fondamentale des états quantiques eux-mêmes.

Actuellement, les meilleures données expérimentales montrent que le degré d'amélioration de l'erreur qui peut être attribué au chevauchement est d'environ 69 %. Dans le nouveau journal, Knee a proposé un moyen de réduire cette valeur à moins de 50 % avec la technologie actuelle. Comme il l'explique, cela signifierait que "le chevauchement fait moins de la moitié du travail nécessaire pour expliquer l'impossibilité de distinguer les états quantiques non orthogonaux".

"La plus grande importance du travail est la nouvelle connaissance sur la façon de mener des expériences qui peuvent montrer la réalité de l'état quantique, " a dit le genou Phys.org . « Les gros bonus sont que les expérimentateurs pourront désormais faire plus avec moins :c'est-à-dire, faire des restrictions de plus en plus strictes sur les interprétations possibles de la mécanique quantique avec moins de ressources expérimentales. Ces expériences nécessitent généralement des efforts héroïques, mais les progrès théoriques devraient signifier qu'ils sont désormais possibles avec du matériel moins cher et en moins de temps."

Pour parvenir à une telle amélioration, Le travail de Knee répond à l'un des plus grands défis de ce type de test, qui consiste à identifier les types d'états et de mesures qui optimisent l'amélioration de l'erreur. Il s'agit d'un problème d'optimisation de très grande dimension — avec au moins 72 variables, il est extrêmement difficile à résoudre en utilisant des méthodes d'optimisation conventionnelles.

Knee a montré qu'une bien meilleure approche de ce type de problème d'optimisation consiste à le convertir en un problème pouvant être étudié avec des méthodes de programmation convexe. Pour rechercher les meilleures combinaisons de variables, il a appliqué des techniques de la théorie de l'optimisation convexe, optimisant alternativement une variable puis l'autre jusqu'à ce que les valeurs optimales des deux convergent. Cette stratégie garantit que les résultats sont « partiellement optimaux, " ce qui signifie qu'aucun changement dans une seule des variables pourrait fournir une meilleure solution. Et peu importe à quel point un résultat est optimal, Knee explique qu'il ne sera peut-être jamais possible d'exclure complètement le point de vue épistémique.

"Il y aura toujours de la place pour se tortiller !" il a dit. "Certainement avec les techniques que nous connaissons à l'heure actuelle, une petite quantité de chevauchement épistémique peut toujours être maintenue, parce que les expériences doivent être terminées dans un laps de temps fini, et souffrent toujours d'un peu de bruit. C'est-à-dire sans parler des failles les plus farfelues qu'un épistémiste convaincu pourrait essayer de franchir :par exemple, on peut généralement faire appel à la rétrocausalité ou à un échantillonnage injuste pour contourner les résultats de toute « métaphysique expérimentale ». Néanmoins, Je pense que montrer que l'état quantique doit être réel à au moins 50 % est un objectif réalisable que la plupart des gens raisonnables ne pourraient pas se soustraire à l'acceptation."

Un résultat particulièrement surprenant et encourageant de la nouvelle approche est qu'elle montre que les états mixtes pourraient mieux fonctionner pour soutenir la vue ontique que les états purs. Typiquement, les états mixtes sont considérés comme plus épistémiques et moins performants que les états purs dans de nombreuses applications de traitement de l'information quantique. Les travaux de Knee montrent que l'un des avantages des états mixtes est qu'ils sont extrêmement robustes au bruit, ce qui suggère que les expériences n'ont pas besoin d'une précision aussi élevée qu'on le pensait auparavant pour démontrer la réalité de l'état quantique.

"J'espère vivement que les expérimentateurs pourront utiliser les recettes que j'ai trouvées dans un futur proche, " a déclaré Knee. " Il est probable que la technique générale que j'ai développée bénéficierait de quelques ajustements pour l'adapter à une configuration expérimentale particulière (par exemple, ions dans les pièges, photons ou systèmes supraconducteurs). Il est également possible d'apporter d'autres améliorations théoriques à la technique, comme la combiner avec d'autres approches théoriques connues et introduire des contraintes supplémentaires pour apprendre quelque chose de la structure générale de l'interprétation épistémique. Le Saint Graal d'un point de vue théorique serait de trouver les meilleures recettes expérimentales possibles et de prouver qu'elles le sont tout autant ! C'est quelque chose sur lequel je vais continuer à travailler."

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