Des physiciens de l'Université de Bâle ont observé pour la première fois le paradoxe de la mécanique quantique Einstein-Podolsky-Rosen dans un système de plusieurs centaines d'atomes en interaction. Le phénomène remonte à une célèbre expérience de pensée de 1935. Il permet de prédire avec précision les résultats de mesure et pourrait être utilisé dans de nouveaux types de capteurs et de méthodes d'imagerie des champs électromagnétiques. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Science .

Avec quelle précision peut-on prédire les résultats de mesures sur un système physique ? Dans le monde des minuscules particules, qui est régi par les lois de la physique quantique, il y a une limite fondamentale à la précision de telles prédictions. Cette limite est exprimée par le principe d'incertitude de Heisenberg, qui stipule qu'il est impossible de prédire simultanément les mesures de la position et de la quantité de mouvement d'une particule, ou de deux composantes d'une vrille, avec une précision arbitraire.

Une baisse paradoxale de l'incertitude

En 1935, cependant, Albert Einstein, Boris Podolski, et Nathan Rosen a publié un article célèbre dans lequel ils ont montré que des prédictions précises sont théoriquement possibles dans certaines circonstances. Faire cela, ils ont considéré deux systèmes, A et B, dans ce qu'on appelle un état « enchevêtré », dans lequel leurs propriétés sont fortement corrélées.

Dans ce cas, les résultats des mesures sur le système A peuvent être utilisés pour prédire les résultats des mesures correspondantes sur le système B avec une précision arbitraire. Ceci est possible même si les systèmes A et B sont spatialement séparés. Le paradoxe est qu'un observateur peut utiliser des mesures sur le système A pour faire des déclarations plus précises sur le système B qu'un observateur qui a un accès direct au système B (mais pas à A).

Première observation dans un système à plusieurs particules

Autrefois, des expériences ont utilisé la lumière ou des atomes individuels pour étudier le paradoxe EPR, qui tire ses initiales des scientifiques qui l'ont découvert. Maintenant, une équipe de physiciens dirigée par le professeur Philipp Treutlein du Département de physique de l'Université de Bâle et du Swiss Nanoscience Institute (SNI) a observé pour la première fois avec succès le paradoxe EPR en utilisant un système à plusieurs particules de plusieurs centaines d'atomes en interaction.

L'expérience a utilisé des lasers pour refroidir les atomes à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. A ces températures, les atomes se comportent entièrement selon les lois de la mécanique quantique et forment ce que l'on appelle un condensat de Bose-Einstein, un état de la matière qu'Einstein avait prédit dans un autre article pionnier en 1925. Dans ce nuage ultrafroid, les atomes entrent constamment en collision les uns avec les autres, provoquant l'enchevêtrement de leurs vrilles.

Les chercheurs ont ensuite pris des mesures du spin dans des régions spatialement séparées du condensat. Grâce à l'imagerie haute résolution, ils ont pu mesurer directement les corrélations de spin entre les régions séparées et, à la fois, pour localiser les atomes dans des positions définies avec précision. Avec leur expérience, les chercheurs ont réussi à utiliser des mesures dans une région donnée pour prédire les résultats pour une autre région.

"Les résultats des mesures dans les deux régions étaient si fortement corrélés qu'ils nous ont permis de démontrer le paradoxe EPR, " dit le doctorant Matteo Fadel, auteur principal de l'étude. "C'est fascinant d'observer un phénomène aussi fondamental de la physique quantique dans des systèmes toujours plus grands. En même temps, nos expériences établissent un lien entre deux des travaux les plus importants d'Einstein."

Sur la voie de la technologie quantique

En plus de leur recherche fondamentale, les scientifiques spéculent déjà sur les applications possibles de leur découverte. Par exemple, les corrélations qui sont au cœur du paradoxe EPR pourraient être utilisées pour améliorer les capteurs atomiques et les méthodes d'imagerie des champs électromagnétiques. Le développement de capteurs quantiques de ce type est un objectif du Pôle National de Compétence en Recherche Quantique Science et Technologie (NCCR QSIT), dans laquelle l'équipe de chercheurs est activement impliquée.