Notre compréhension du monde repose principalement sur des perceptions de base, tels que les événements se succèdent dans un ordre bien défini. De tels ordres définis sont requis dans le monde macroscopique, auxquels s'appliquent les lois de la physique classique. Les travaux actuels d'une équipe de physiciens de l'Université de Vienne constituent la première quantification expérimentale d'une telle superposition. Il sera publié dans un prochain numéro de Avancées scientifiques .

En décrivant la nature à l'aide de lois physiques, les scientifiques partent souvent d'expériences quotidiennes. Cependant, notre intuition habituelle ne s'applique pas au monde quantique. Les physiciens ont récemment réalisé que la théorie quantique nous oblige même à remettre en question des concepts innés, comme l'ordre dans lequel les choses se produisent. Imaginer, par exemple, une course entre deux amis, Alice et Bob. Dans la vie de tous les jours, le gagnant est le premier à franchir la ligne d'arrivée. Ainsi, le bon sens dit que soit Alice gagne, Bob gagne, ou ils attachent. Ce raisonnement, cependant, n'est pas toujours applicable dans le monde quantique. En réalité, la mécanique quantique permet à chaque coureur de gagner et de perdre dans une course :Alice pourrait atteindre la ligne d'arrivée avant et après Bob en superposition quantique. Cependant, même si nous organisions une telle course quantique, comment pouvons-nous vérifier que les deux coureurs ont gagné en superposition ? Une partie du problème est que la mécanique quantique dit que lorsque nous observons la course, elle « s'effondre ». Cela signifie que nous ne voyons qu'Alice gagner ou perdre la course :nous ne pouvons pas voir la superposition.

Témoin des ordres d'opérations brouillés

Un groupe de physiciens dirigé par Philip Walther à l'Université de Vienne a mis en place une nouvelle mesure, appelé un "témoin causal", ce qui leur permet de voir Alice gagner et perdre en même temps. Cette technique de mesure passionnante a été conçue par le groupe théorique de Caslav Brukner à l'Académie autrichienne des sciences. Officiellement, un témoin causal est un outil mathématique pour déterminer s'il est possible de décrire une expérience sans avoir recours à des ordres superposés. Grâce à ce nouvel outil, les physiciens pouvaient faire plus que simplement voir Alice gagner et perdre en superposition :ils étaient capables de quantifier à quel point les deux situations se superposaient réellement.

Plutôt que d'organiser une course quantique microscopique, les scientifiques ont superposé l'ordre dans lequel deux opérations quantiques agissaient sur les particules de lumière. Dans leur expérience, les physiciens ont placé des photons - des particules de lumière - dans une superposition de deux chemins différents. Chaque chemin a ensuite été routé dans des ordres différents à travers deux opérations quantiques différentes. Bien que dans le passé l'équipe ait créé une telle superposition d'ordres d'opérations quantiques, ils ne pouvaient auparavant vérifier la superposition qu'indirectement.

Pour mettre en œuvre le témoin causal, les physiciens devaient concevoir un schéma leur permettant d'extraire des informations de l'intérieur d'un processus quantique hautement fragile sans le détruire. Faire cela, ils ont utilisé un autre système quantique pour essentiellement lever un drapeau lorsque le photon passait par l'une des opérations quantiques. Bien que cela ait pu encore faire s'effondrer le système, les physiciens ont trouvé une nouvelle astuce pour mesurer le système quantique supplémentaire tout en gardant la superposition intacte. Leur nouvelle technique leur a permis d'extraire uniquement des informations sur la superposition globale, et non sur l'ordre des opérations. À partir de ces résultats de mesure, ils ont confirmé que les photons avaient réellement traversé les deux opérations quantiques dans deux ordres en même temps.

Implications futures

Le fait que l'ordre des opérations quantiques puisse être mis en superposition quantique ouvre un nouveau terrain de jeu pour les études en mécanique quantique. Du côté théorique, cela est déjà indiqué par un grand nombre d'études et de propositions sur le rôle des « relations causales » au sein de la mécanique quantique. Cependant, traduire ces propositions en expériences de laboratoire est un défi. « Notre démonstration expérimentale est une avancée significative dans ce domaine, puisqu'il montre comment extraire des informations à l'intérieur de ces processus sans perturber leur nature quantique", dit Giulia Rubino, auteur principal de l'étude.

Le prochain objectif du groupe est d'exploiter les nouvelles avancées technologiques pour créer des superpositions de procédés plus complexes. Cela leur permettra de mieux comprendre l'interaction entre les relations causales et la mécanique quantique. Par ailleurs, il présente une nouvelle voie intéressante pour optimiser les tâches même au-delà de ce qui est possible en utilisant des ordinateurs quantiques standard avec un ordre d'opérations fixe.