(Phys.org) - Les physiciens ont rapporté certaines des preuves les plus solides à ce jour que le monde quantique n'obéit pas au réalisme local en démontrant de nouvelles preuves de l'existence de l'intrication quantique. En effectuant un test Bell essentiellement sans faille, ils ont montré que deux atomes séparés par une distance d'un quart de mile partagent des corrélations qui devraient être impossibles dans l'hypothèse du réalisme local, et s'expliquent très probablement par l'intrication quantique.

Le nouveau test de Bell a été réalisé par un groupe de chercheurs dirigé par Harald Weinfurter à l'Université Ludwig Maximilian de Munich et à l'Institut Max Planck d'optique quantique, tous les deux en Allemagne.

La probabilité que les corrélations observées puissent s'expliquer par le réalisme local dû à certaines "variables cachées" inconnues plutôt qu'à l'intrication est inférieure à un sur un milliard, les physiciens écrivent dans leur article publié dans Lettres d'examen physique . En comptabilisant toutes leurs données accumulées, pris pendant sept mois, cette probabilité diminue encore plus, jusqu'à environ un quadrillion sur dix (le chiffre 1 suivi de 16 zéros). Cela signifie que le monde quantique viole soit la localité (les objets distants ne peuvent pas s'influencer en moins d'un certain laps de temps) soit le réalisme (les objets existent, que quelqu'un les mesure ou non), ou peut-être les deux.

Trois tests de cloche

Le test rapporté ici est le dernier test Bell sans faille :un test qui comble simultanément les deux plus grandes failles, la faille de localité et la faille de détection. Combler les deux échappatoires est vital pour exclure toute explication alternative, comme la possibilité que deux objets intriqués partagent secrètement des informations (échappatoire de localité) ou que les particules détectées ne soient pas représentatives de l'ensemble de l'échantillon mais forment plutôt un sous-ensemble spécial qui fausse les données (échappatoire de détection).

Le premier test Bell sans faille, rapporté en 2015 par une équipe dirigée par Ronald Hanson à l'Université de Delft, a démontré l'intrication entre les spins électroniques des centres de lacunes d'azote (NV) dans le diamant. Peu après, d'autres tests de Bell sans faille ont signalé un enchevêtrement entre les photons. Le test de Bell rapporté ici démontre l'intrication entre un troisième type de système :les états de spin des atomes.

"À mon avis, la plus grande signification de ce travail est l'exclusion définitive du réalisme local, " co-auteur Wenjamin Rosenfeld, à l'Université Ludwig Maximilian de Munich et à l'Institut Max Planck d'optique quantique, Raconté Phys.org . "C'est bien que des expériences similaires aient été réalisées avec des systèmes différents (photons, centres NV) essentiellement en même temps, ainsi tous les résultats peuvent être considérés comme vraiment concluants. Maintenant, il ne s'agit plus de croire si la nature peut ou non être décrite d'une manière réaliste locale, mais une question de fait. (Toutefois, le problème de la liberté de choix doit encore être résolu.)"

Montage expérimental

La nouvelle expérience consistait à piéger un atome de rubidium dans le sous-sol du bâtiment de physique de l'Université Ludwig Maximilian de Munich et à piéger un deuxième atome de rubidium dans le sous-sol du bâtiment économique, à environ 400 mètres. Une fibre optique reliait les deux sites de mesure.

Dans leurs tests, les scientifiques ont excité les atomes, les obligeant à émettre des photons à des moments définis avec précision. Les photons ont ensuite traversé la fibre optique et interféré les uns avec les autres. Cette interférence quantique, en théorie, provoque l'enchevêtrement des atomes. Pour détecter cet enchevêtrement, les chercheurs ont effectué des mesures sur les photons, répéter les mesures encore et encore pour des dizaines de milliers de paires de photons. Les résultats ont montré de manière écrasante que les paires de photons distants étaient en effet intriquées.

Dernière faille

L'une des dernières lacunes possibles pour la plupart des tests de Bell concerne le choix de la mesure effectuée sur les atomes. Étant donné que ces mesures peuvent être effectuées de plusieurs manières, il est important de confirmer que l'expérimentateur est libre de choisir quelle mesure particulière effectuer, et que les variables cachées n'influencent pas le choix de la mesure et permettent en quelque sorte aux atomes de synchroniser leurs propriétés. Cette possibilité est appelée la faille du libre arbitre ou de la liberté de choix.

Pour tenter de combler cette lacune, les chercheurs ont utilisé un générateur de nombres aléatoires quantiques à grande vitesse qui choisit des paramètres de mesure vraiment aléatoires, presque. Le problème est qu'il existe une très faible possibilité que les générateurs de nombres aléatoires aient pu communiquer entre eux ou avec le reste de l'expérience avant le début de l'expérience. Cela pourrait permettre aux atomes de connaître les nombres aléatoires, et par conséquent les mesures à effectuer, en avance, leur permettant de synchroniser leurs propriétés.

Les physiciens expliquent que la seule façon de fermer complètement cette échappatoire est d'utiliser un générateur de nombres aléatoires extraterrestre, comme l'émission de photons intrinsèquement aléatoire d'étoiles situées à des millions d'années-lumière. La grande distance entre les étoiles et une expérience terrestre rendrait pratiquement impossible toute communication secrète, car cela signifierait qu'une telle communication aurait dû avoir lieu avant que la lumière ne quitte les étoiles, il y a des millions d'années. Plusieurs laboratoires de physique développent actuellement des générateurs de nombres aléatoires extraterrestres à cette fin.

Communication sécurisée

Étant donné que l'intrication quantique est susceptible d'être une ressource importante dans les futures technologies quantiques sécurisées, combler ces lacunes contribue à accroître la sécurité des futures applications au niveau le plus fondamental. Les chercheurs s'attendent à ce que les méthodes utilisées dans cette étude contribuent également à de nouveaux développements dans les systèmes d'information quantiques et les réseaux de répéteurs quantiques, qui sont utilisés pour communiquer des informations quantiques sur de longues distances. Ils prévoient d'étudier plus avant cette application à l'avenir.

« Outre d'autres questions fondamentales concernant la problématique de la liberté de choix, il y a beaucoup de choses sur lesquelles on peut travailler ici, " a déclaré Rosenfeld. " D'un côté, on peut essayer de pousser le système plus loin (en particulier la fidélité de l'état intriqué) pour pouvoir exécuter des protocoles dits « indépendants du périphérique ». Celles-ci permettraient d'obtenir une clé cryptographique sécurisée même à partir d'appareils potentiellement non fiables (fournis par un tiers). Ici, L'inégalité de Bell offre la possibilité de tester, si les appareils ont été préparés d'une manière ou d'une autre à l'avance pour produire une clé connue d'un adversaire. De plus, les techniques permettant de générer un enchevêtrement entre des objets distants sont importantes pour les réseaux quantiques permettant une communication sécurisée sur de longues distances."

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