L'année dernière, physiciens au MIT, l'Université de Vienne, et ailleurs a fortement soutenu l'intrication quantique, l'idée apparemment farfelue que deux particules, quelle que soit la distance l'un de l'autre dans l'espace et dans le temps, peuvent être inextricablement liés, d'une manière qui défie les règles de la physique classique.

Prendre, par exemple, deux particules assises sur les bords opposés de l'univers. S'ils sont vraiment enchevêtrés, alors, selon la théorie de la mécanique quantique, leurs propriétés physiques devraient être liées de telle manière que toute mesure effectuée sur une particule devrait instantanément transmettre des informations sur tout résultat futur de mesure de l'autre particule - des corrélations qu'Einstein considérait avec scepticisme comme "une action effrayante à un distance."

Dans les années 1960, le physicien John Bell a calculé une limite théorique au-delà de laquelle de telles corrélations doivent avoir un quantum, plutôt qu'un classique, explication.

Mais que se passerait-il si de telles corrélations n'étaient pas le résultat d'un enchevêtrement quantique, mais de quelque autre caché, explication classique ? De tels « et si » sont connus des physiciens comme des failles dans les tests de l'inégalité de Bell, dont la plus tenace est la faille de la « liberté de choix » :la possibilité que certains cachés, variable classique peut influencer la mesure qu'un expérimentateur choisit d'effectuer sur une particule intriquée, faire en sorte que le résultat semble quantiquement corrélé alors qu'en fait il ne l'est pas.

En février dernier, l'équipe du MIT et leurs collègues ont considérablement limité la faille de la liberté de choix, en utilisant la lumière des étoiles vieille de 600 ans pour décider quelles propriétés de deux photons intriqués mesurer. Leur expérience a prouvé que, si un mécanisme classique a causé les corrélations qu'ils ont observées, il aurait dû être mis en branle il y a plus de 600 ans, avant que la lumière des étoiles ne soit émise pour la première fois et bien avant même que l'expérience réelle ne soit conçue.

Maintenant, dans un article publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , la même équipe a considérablement étendu le cas de l'intrication quantique et a encore restreint les options pour l'échappatoire de la liberté de choix. Les chercheurs ont utilisé des quasars distants, dont l'un a émis sa lumière il y a 7,8 milliards d'années et l'autre il y a 12,2 milliards d'années, pour déterminer les mesures à effectuer sur des paires de photons intriqués. Ils ont trouvé des corrélations parmi plus de 30, 000 paires de photons, à un degré qui dépassait de loin la limite que Bell avait initialement calculée pour un mécanisme classique.

"Si une conspiration se produit pour simuler la mécanique quantique par un mécanisme qui est en fait classique, ce mécanisme aurait dû commencer ses opérations - en sachant d'une manière ou d'une autre exactement quand, où, et comment cette expérience allait être menée, il y a au moins 7,8 milliards d'années. Cela semble incroyablement invraisemblable, nous avons donc des preuves très solides que la mécanique quantique est la bonne explication, " dit le co-auteur Alan Guth, le professeur Victor F. Weisskopf de physique au MIT.

"La Terre a environ 4,5 milliards d'années, donc tout mécanisme alternatif - différent de la mécanique quantique - qui aurait pu produire nos résultats en exploitant cette faille aurait dû être en place bien avant même qu'il y ait une planète Terre, encore moins un MIT, " ajoute David Kaiser, le professeur Germeshausen d'histoire des sciences et professeur de physique au MIT. "Nous avons donc repoussé toutes les explications alternatives très tôt dans l'histoire cosmique."

Les co-auteurs de Guth et Kaiser incluent Anton Zeilinger et des membres de son groupe à l'Académie autrichienne des sciences et à l'Université de Vienne, ainsi que des physiciens du Harvey Mudd College et de l'Université de Californie à San Diego.

Une décision, fait il y a des milliards d'années

En 2014, Kaiser et deux membres de l'équipe actuelle, Jason Gallicchio et Andrew Friedman, a proposé une expérience pour produire des photons intriqués sur Terre, un processus assez standard dans les études de mécanique quantique. Ils avaient prévu de tirer sur chaque membre de la paire enchevêtrée dans des directions opposées, vers des détecteurs de lumière qui feraient également une mesure de chaque photon à l'aide d'un polariseur. Les chercheurs mesureraient la polarisation, ou orientation, du champ électrique de chaque photon entrant, en réglant le polariseur à différents angles et en observant si les photons passaient à travers - un résultat pour chaque photon que les chercheurs pouvaient comparer pour déterminer si les particules présentaient les corrélations caractéristiques prédites par la mécanique quantique.

L'équipe a ajouté une étape unique à l'expérience proposée, qui devait utiliser la lumière de l'ancien, sources astronomiques lointaines, comme les étoiles et les quasars, pour déterminer l'angle auquel régler chaque polariseur respectif. Comme chaque photon intriqué était en vol, se dirigeant vers son détecteur à la vitesse de la lumière, les chercheurs utiliseraient un télescope situé sur chaque site de détection pour mesurer la longueur d'onde de la lumière entrante d'un quasar. Si cette lumière était plus rouge qu'une longueur d'onde de référence, le polariseur s'inclinerait à un certain angle pour effectuer une mesure spécifique du photon intriqué entrant, un choix de mesure déterminé par le quasar. Si la lumière du quasar était plus bleue que la longueur d'onde de référence, le polariseur s'inclinerait à un angle différent, effectuer une mesure différente du photon intriqué.

Dans leur expérience précédente, l'équipe a utilisé de petits télescopes d'arrière-cour pour mesurer la lumière des étoiles aussi près que 600 années-lumière. Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé beaucoup plus gros, des télescopes plus puissants pour capter la lumière entrante d'encore plus anciens, sources astrophysiques lointaines :des quasars dont la lumière voyage vers la Terre depuis au moins 7,8 milliards d'années, des objets incroyablement éloignés et pourtant si lumineux que leur lumière peut être observée depuis la Terre.

Un timing délicat

Le 11 janvier, 2018, "l'horloge venait de sonner après minuit heure locale, " comme le rappelle Kaiser, lorsqu'une douzaine de membres de l'équipe se sont réunis au sommet d'une montagne des îles Canaries et ont commencé à collecter des données auprès de deux grands, Télescopes de 4 mètres de large :le télescope William Herschel et le télescope Nazionale Galileo, tous deux situés sur la même montagne et séparés d'environ un kilomètre.

Un télescope s'est concentré sur un quasar particulier, tandis que l'autre télescope a regardé un autre quasar dans une autre partie du ciel nocturne. Pendant ce temps, les chercheurs d'une station située entre les deux télescopes ont créé des paires de photons intriqués et ont projeté des particules de chaque paire dans des directions opposées vers chaque télescope.

Dans la fraction de seconde avant que chaque photon intriqué n'atteigne son détecteur, l'instrumentation a déterminé si un seul photon provenant du quasar était plutôt rouge ou bleu, une mesure qui a ensuite ajusté automatiquement l'angle d'un polariseur qui a finalement reçu et détecté le photon intriqué entrant.

"Le timing est très délicat, " dit Kaiser. " Tout doit se passer dans des fenêtres très étroites, mise à jour toutes les microsecondes environ."

Démystifier un mirage

Les chercheurs ont mené leur expérience deux fois, chacun pendant environ 15 minutes et avec deux paires différentes de quasars. Pour chaque course, ils mesuraient 17, 663 et 12, 420 paires de photons intriqués, respectivement. Quelques heures après la fermeture des dômes du télescope et l'examen des données préliminaires, l'équipe pouvait dire qu'il y avait de fortes corrélations entre les paires de photons, au-delà de la limite calculée par Bell, indiquant que les photons étaient corrélés de manière quantique.

Guth a mené une analyse plus détaillée pour calculer la chance, aussi léger soit-il, qu'un mécanisme classique aurait pu produire les corrélations observées par l'équipe.

Il a calculé que, pour le meilleur des deux runs, la probabilité qu'un mécanisme basé sur la physique classique ait pu atteindre la corrélation observée était d'environ 10 à moins 20, c'est-à-dire environ une partie sur cent milliards de milliards, "outrageusement petit, " dit Guth. A titre de comparaison, les chercheurs ont estimé la probabilité que la découverte du boson de Higgs n'était qu'un coup de chance à environ un sur un milliard.

"Nous avons certainement rendu incroyablement invraisemblable qu'une théorie réaliste locale puisse être à la base de la physique de l'univers, " dit Guth.

Et encore, il y a encore une petite ouverture pour l'échappatoire de la liberté de choix. Pour le limiter encore plus, l'équipe entretient des idées de regarder encore plus loin dans le temps, d'utiliser des sources telles que les photons de fond cosmiques à micro-ondes qui ont été émis sous forme de rayonnement résiduel immédiatement après le Big Bang, bien que de telles expériences présenteraient une foule de nouveaux défis techniques.

"C'est amusant de penser à de nouveaux types d'expériences que nous pouvons concevoir à l'avenir, mais pour l'instant, nous sommes très heureux d'avoir pu combler cette lacune de manière aussi spectaculaire. Notre expérience avec les quasars impose des contraintes extrêmement strictes sur diverses alternatives à la mécanique quantique. Aussi étrange que puisse paraître la mécanique quantique, il continue de correspondre à tous les tests expérimentaux que nous pouvons concevoir, " dit Kaiser.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.