Le 30 novembre, 2016, plus de 100, 000 personnes dans le monde ont contribué à une série d'expériences de physique quantique inédites connues sous le nom de test BIG Bell. Utilisation de smartphones et autres appareils connectés à Internet, les participants ont apporté des éléments imprévisibles, qui a déterminé comment les atomes enchevêtrés, photons, et les dispositifs supraconducteurs ont été mesurés dans 12 laboratoires à travers le monde. Les scientifiques ont utilisé l'apport humain pour combler une lacune tenace dans les tests du principe de réalisme local d'Einstein. Les résultats sont maintenant analysés, et sont rapportés dans le La nature .

Dans un test de Bell (du nom du physicien John Stewart Bell), des paires de particules intriquées telles que des photons sont générées et envoyées à différents endroits, où les propriétés des particules telles que les couleurs des photons ou l'heure d'arrivée sont mesurées. Si les résultats de mesure ont tendance à concorder, quelles que soient les propriétés que nous choisissons de mesurer, cela implique quelque chose de très surprenant :soit la mesure d'une particule affecte instantanément l'autre particule (bien qu'elle soit éloignée), ou même étranger, les propriétés n'ont jamais vraiment existé, mais plutôt ont été créés par la mesure elle-même. L'une ou l'autre possibilité contredit le réalisme local, La vision du monde d'Einstein d'un univers indépendant de nos observations, dans laquelle aucune influence ne peut voyager plus vite que la lumière.

Le test BIG Bell a demandé à des volontaires humains, connu sous le nom de Bellsters, choisir les mesures, afin de combler la prétendue « échappatoire de la liberté de choix », la possibilité que les particules elles-mêmes influencent le choix de la mesure. Une telle influence, s'il existait, invaliderait le test; ce serait comme permettre aux étudiants d'écrire leurs propres questions d'examen. Cette échappatoire ne peut pas être comblée en choisissant avec des dés ou des générateurs de nombres aléatoires, car il y a toujours la possibilité que ces systèmes physiques soient coordonnés avec les particules intriquées. Les choix humains introduisent l'élément de libre arbitre, par lequel les gens peuvent choisir indépendamment de tout ce que les particules pourraient faire.

Dirigé par ICFO-The Institute of Photonic Sciences, à Barcelone, le test BIG Bell a recruté des participants du monde entier pour contribuer à des séquences imprévisibles de zéros et de uns (bits) via un jeu vidéo en ligne. Les bits ont été acheminés vers des expériences de pointe à Brisbane, Shanghaï, Vienne, Rome, Munich, Zürich, Joli, Barcelone, Buenos Aires, Concepción Chili et Boulder Colorado, où ils ont été utilisés pour définir les angles des polariseurs et d'autres éléments de laboratoire afin de déterminer comment les particules enchevêtrées ont été mesurées.

Les participants ont contribué avec plus de 90 millions de bits, rendant possible un test fort du réalisme local, ainsi que d'autres expériences sur le réalisme en mécanique quantique. Les résultats obtenus contredisent fortement la vision du monde d'Einstein, combler pour la première fois l'échappatoire de la liberté de choix, et démontrer plusieurs nouvelles méthodes dans l'étude de l'intrication et du réalisme local.

L'EXPÉRIENCE ICFO Quantum Memory

Chacun des 12 laboratoires dans le monde a réalisé une expérience différente, tester le réalisme local dans différents systèmes physiques et tester d'autres concepts liés au réalisme. ICFO a contribué avec deux expériences. L'équipe ICFO 1, composé de Pau Farrera et du Dr Georg Heinze, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Hugues de Riedmatten, a effectué un test de Bell utilisant l'intrication entre deux objets très différents :un seul photon et un nuage piégé avec des millions d'atomes. Ce nuage a agi comme une "mémoire quantique" stockant pendant un certain temps la partie matière de l'état intriqué, et le transférer plus tard dans un autre photon unique. L'intrication a été analysée à l'aide d'interféromètres optiques et de détecteurs de photons uniques. Les paramètres de mesure de ces interféromètres ont été choisis par les nombres aléatoires fournis par les Bellsters. Spécifiquement, les nombres aléatoires décidaient des tensions appliquées à un dispositif piézoélectrique attaché aux interféromètres. Les résultats obtenus contredisent clairement le concept de réalisme local.

L'équipe ICFO 2 a effectué un test de Bell en utilisant l'intrication entre deux photons uniques de couleur différente générés avec une source de paires de photons à l'état solide. Les chercheurs, Dr Andreas Lenhard, Alessandro Seri, Dr Daniel Rieländer, et Dr Margherita Mazzera, dirigé par ICREA Pr Hugues de Riedmatten, pourrait générer des paires de photons à bande étroite dans plusieurs modes de fréquence discrets. Après avoir séparé les photons de la paire, leur enchevêtrement a été analysé à l'aide, dans chacun des deux bras, un modulateur électro-optique pour superposer les différents modes de fréquence et une cavité optique comme filtre spectral. Les nombres aléatoires fournis par les Bellsters ont été exploités pour choisir les tensions pilotant à la fois l'amplitude et la phase de modulation des modulateurs électro-optiques. L'expérience a été réalisée en collaboration avec les chercheurs de l'ICFO, le Dr Osvaldo Jimenez, Dr Alejandro Mattár et Dr Daniel Cavalcanti, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Antonio Acín. Ils ont développé un modèle pour décrire l'état intriqué généré et trouver les mesures optimales pour contredire le réalisme local. De l'expérience réalisée le 30 novembre, 2016, les théories du réalisme local peuvent être écartées avec un niveau de significativité de 3 écarts types, tandis qu'une violation plus forte, de plus de 8 écarts types, a été atteint dans les semaines qui ont suivi le jour du test Big Bell en effectuant des mesures plus longues avec des nombres aléatoires humains stockés.

Hugues de Riedmatten, Professeur ICREA à ICFO :« Le BBT a été une expérience formidable. C'était incroyable de voir des nombres aléatoires créés par des Bellsters du monde entier prendre le contrôle de nos expériences en temps réel, et de voir autant de personnes participer à une expérience de physique quantique."

Carlos Abellan, chercheur à l'ICFO et instigateur du projet :« Le test BIG Bell était un projet incroyablement difficile et ambitieux. Cela semblait incroyablement difficile le jour zéro, mais est devenu une réalité grâce aux efforts de dizaines de scientifiques passionnés, communicateurs scientifiques, journalistes et médias, et surtout les dizaines de milliers de personnes qui ont contribué à l'expérimentation le 30 novembre, 2016."

Morgan Mitchell, chef du projet BBT et professeur ICREA à ICFO :« Ce qui est le plus étonnant pour moi, c'est que la dispute entre Einstein et Niels Bohr, après plus de 90 ans d'efforts pour le rendre rigoureux et testable expérimentalement, conserve encore un élément humain et philosophique. On sait que le boson de Higgs et les ondes gravitationnelles existent grâce à des machines étonnantes, systèmes physiques construits pour tester les lois de la physique. Mais le réalisme local est une question à laquelle nous ne pouvons pas répondre complètement avec une machine. Il semble que nous devons nous-mêmes faire partie de l'expérience, pour garder l'Univers honnête."

L'équipe de BIG Bell Test tient une nouvelle fois à remercier les milliers de participants qui ont si généreusement et avec enthousiasme contribué à cette initiative. Sans cet apport essentiel, l'expérience n'aurait jamais été possible.