Les physiciens ont recherché des écarts par rapport à la mécanique quantique standard, tester si la mécanique quantique nécessite un ensemble plus complexe de règles mathématiques. Pour ce faire, une équipe de recherche dirigée par Philip Walther à l'Université de Vienne a conçu une nouvelle expérience photonique utilisant des métamatériaux exotiques, qui ont été fabriqués à l'Université de Californie à Berkeley. Leur expérience prend en charge la mécanique quantique standard et permet aux scientifiques de poser des limites aux théories quantiques alternatives. Les résultats, qui sont publiés dans Communication Nature , pourrait aider à orienter les travaux théoriques dans la recherche d'une version plus générale de la mécanique quantique.

La mécanique quantique est basée sur un ensemble de règles mathématiques, décrivant le fonctionnement du monde quantique. Ces règles prédisent, par exemple, comment les électrons gravitent autour d'un noyau dans un atome, et comment un atome peut absorber des photons, particules de lumière. Les règles standard de la mécanique quantique fonctionnent extrêmement bien, mais, étant donné qu'il y a encore des questions ouvertes concernant l'interprétation de la mécanique quantique, les scientifiques ne sont pas sûrs que les règles actuelles soient l'histoire finale. Cela a motivé certains scientifiques à développer des versions alternatives des règles mathématiques, qui sont capables d'expliquer correctement les résultats des expériences passées, mais fournissent un nouvel aperçu de la structure sous-jacente de la mécanique quantique. Certaines de ces règles mathématiques alternatives prédisent même de nouveaux effets, qui nécessitent de nouveaux tests expérimentaux.

Expérience quotidienne des règles mathématiques

Dans la vie de tous les jours, si nous marchons tout autour d'un parc, nous nous retrouvons au même endroit, que nous choisissions de marcher dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse. Les physiciens diraient que ces deux actions commutent. Toutes les actions n'ont pas besoin de faire la navette, bien que. Si, lors de notre promenade dans le parc, nous marchons dans le sens des aiguilles d'une montre, et trouvez d'abord de l'argent gisant sur le sol puis rencontrez un marchand de glaces, nous sortirons du parc en nous sentant rafraîchis. Cependant, si nous voyageons plutôt dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, nous verrons le glacier avant de trouver l'argent nécessaire pour acheter la glace. Dans ce cas, nous pouvons sortir du parc en nous sentant déçus. Afin de déterminer quelles actions commutent ou ne commutent pas, les physiciens fournissent une description mathématique du monde physique.

En mécanique quantique standard, ces règles mathématiques utilisent des nombres complexes. Cependant, récemment, une version alternative de la mécanique quantique a été proposée qui utilise des nombres dits « hyper-complexes ». Il s'agit d'une généralisation des nombres complexes. Avec les nouvelles règles, les physiciens peuvent reproduire la plupart des prédictions de la mécanique quantique standard. Cependant, les règles hyper-complexes prédisent que certaines opérations qui commutent en mécanique quantique standard ne commutent pas réellement dans le monde réel.

Recherche de nombres hyper-complexes

Une équipe de recherche dirigée par Philip Walther a maintenant testé les écarts par rapport à la mécanique quantique standard prédits par la théorie quantique alternative hyper-complexe. Dans leur expérience, les scientifiques ont remplacé le parc par un interféromètre, un dispositif qui permet à un seul photon de parcourir deux chemins en même temps. Ils ont remplacé l'argent et la crème glacée par un matériau optique normal et un métamatériau spécialement conçu. Le matériau optique normal a légèrement ralenti la lumière lors de son passage, alors que le métamatériau a légèrement accéléré la lumière.

Les règles de la mécanique quantique standard dictent que la lumière se comporte de la même manière, qu'elle passe d'abord à travers un matériau normal puis à travers un métamatériau ou vice versa. En d'autres termes, l'action des deux matériaux sur la lumière commute. En mécanique quantique hyper-complexe, cependant, Ce n'est peut-être pas le cas. A partir du comportement des photons mesurés, les physiciens ont vérifié que des règles hyper-complexes n'étaient pas nécessaires pour décrire l'expérience. "Nous avons pu placer des bornes très précises sur le besoin de nombres hyper-complexes pour décrire notre expérience, " dit Lorenzo Procopio, un auteur principal de l'étude. Cependant, les auteurs disent qu'il est toujours très difficile d'exclure quelque chose sans ambiguïté. Lee Rozema, un autre auteur de l'article, dit "nous sommes toujours très intéressés par la réalisation d'expériences dans différentes conditions et avec une précision encore plus élevée, pour rassembler plus de preuves soutenant la mécanique quantique standard." Ce travail a placé des limites strictes sur le besoin d'une théorie quantique hyper-complexe, mais il existe de nombreuses autres alternatives qui doivent être testées, et les outils nouvellement développés offrent la voie parfaite pour cela.