Ordinateurs quantiques, la cryptographie quantique et le quantum (insérer le nom ici) font souvent l'actualité ces jours-ci. Les articles à leur sujet font inévitablement référence à enchevêtrement , une propriété de la physique quantique qui rend possible tous ces dispositifs magiques.

Einstein a qualifié l'enchevêtrement d'"action effrayante à distance, " un nom qui est resté et est devenu de plus en plus populaire. Au-delà de la simple construction de meilleurs ordinateurs quantiques, comprendre et exploiter l'enchevêtrement est également utile à d'autres égards.

Par exemple, il peut être utilisé pour effectuer des mesures plus précises des ondes gravitationnelles, et de mieux comprendre les propriétés des matériaux exotiques. Cela apparaît aussi subtilement à d'autres endroits :j'ai étudié comment les atomes qui se heurtent les uns aux autres s'emmêlent, pour comprendre comment cela affecte la précision des horloges atomiques.

Mais quoi est enchevêtrement? Existe-t-il un moyen de comprendre ce phénomène « effrayant » ? Je vais essayer de l'expliquer en réunissant deux notions de la physique :les lois de conservation et les superpositions quantiques.

Lois de conservation

Les lois de conservation sont parmi les concepts les plus profonds et les plus répandus dans toute la physique. La loi de conservation de l'énergie stipule que la quantité totale d'énergie dans un système isolé reste fixe (bien qu'elle puisse être convertie de l'énergie électrique en énergie mécanique en chaleur, etc). Cette loi sous-tend le fonctionnement de toutes nos machines, qu'il s'agisse de moteurs à vapeur ou de voitures électriques. Les lois de conservation sont une sorte d'état comptable :vous pouvez échanger des morceaux d'énergie, mais le montant total doit rester le même.

La conservation de la quantité de mouvement (la quantité de mouvement étant la masse multipliée par la vitesse) est la raison pour laquelle, lorsque deux patineurs de masses différentes se poussent l'un vers l'autre, le plus léger s'éloigne plus vite que le plus lourd. Cette loi sous-tend également le célèbre dicton selon lequel « chaque action a une réaction égale et opposée ». Conservation de angulaire l'élan est la raison pour laquelle - en revenant aux patineurs sur glace - une patineuse artistique tourbillonnante peut tourner plus vite en rapprochant ses bras de son corps.

Ces lois de conservation ont été vérifiées expérimentalement pour fonctionner à travers une gamme extraordinaire d'échelles dans l'univers, des trous noirs dans les galaxies lointaines jusqu'aux plus petits électrons en rotation.

Addition quantique

Imaginez-vous en train de faire une belle randonnée à travers les bois. Vous arrivez à un embranchement du sentier, mais vous avez du mal à décider si vous devez aller à gauche ou à droite. Le chemin à gauche semble sombre et sombre mais est réputé pour conduire à de belles vues, tandis que celui de droite semble ensoleillé mais raide. Vous décidez enfin d'aller à droite, s'interrogeant avec nostalgie sur la route non prise. Dans un monde quantique, tu aurais pu choisir les deux.

Pour les systèmes décrits par la mécanique quantique (c'est-à-dire choses suffisamment bien isolées de la chaleur et des perturbations extérieures), les règles sont plus intéressantes. Comme une toupie, un électron par exemple peut être dans un état où il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, ou dans un autre état où il tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Contrairement à une toupie cependant, il peut aussi être dans un état [rotation dans le sens horaire] + [rotation dans le sens antihoraire] .

Les états des systèmes quantiques peuvent être additionnés et soustraits les uns des autres . Mathématiquement, les règles de combinaison des états quantiques peuvent être décrites de la même manière que les règles d'addition et de soustraction de vecteurs. Le mot pour une telle combinaison d'états quantiques est un superposition . C'est vraiment ce qui se cache derrière les effets quantiques étranges dont vous avez peut-être entendu parler, comme l'expérience de la double fente, ou la dualité particule-onde.

Supposons que vous décidiez de forcer un électron dans le [rotation dans le sens horaire] + [rotation dans le sens antihoraire] état de superposition pour donner une réponse définitive. Ensuite, l'électron se retrouve au hasard soit dans le [tourner dans le sens des aiguilles d'une montre] état ou dans le [rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre] Etat. Les chances d'un résultat par rapport à l'autre sont faciles à calculer (avec un bon livre de physique à portée de main). Le caractère aléatoire intrinsèque de ce processus peut vous déranger si votre vision du monde exige que l'univers se comporte de manière totalement prévisible, mais … c'est la (testé expérimentalement) vie .

Lois de conservation et mécanique quantique

Mettons ces deux idées ensemble maintenant, et appliquer la loi de conservation de l'énergie à une paire de particules quantiques.

Imaginez une paire de particules quantiques (disons des atomes) qui démarrent avec un total de 100 unités d'énergie. Vous et votre ami séparez la paire, en prendre un chacun. Vous trouvez que le vôtre a 40 unités d'énergie. En utilisant la loi de conservation de l'énergie, vous en déduisez que celui de votre ami doit avoir 60 unités d'énergie. Dès que vous connaissez l'énergie de votre atome, vous connaissez aussi immédiatement l'énergie de l'atome de votre ami. Vous le sauriez même si votre ami ne vous révélait jamais aucune information. Et vous le sauriez même si votre ami était de l'autre côté de la galaxie au moment où vous avez mesuré l'énergie de votre atome. Rien d'effrayant à ce sujet (une fois que vous réalisez que ce n'est qu'une corrélation, pas de causalité).

Mais les états quantiques d'une paire d'atomes peuvent être plus intéressants. L'énergie de la paire peut être partitionnée de plusieurs manières possibles (conformément à la conservation de l'énergie, bien sûr). L'état combiné de la paire d'atomes peut être en superposition, par exemple:

[votre atome : 60 unités ; l'atome d'un ami :40 unités] + [votre atome : 70 unités ; atome d'un ami :30 unités].

C'est un état enchevêtré des deux atomes. Ni ton atome, ni celui de ton ami, a une énergie définie dans cette superposition. Néanmoins, les propriétés des deux atomes sont corrélées en raison de la conservation de l'énergie :leurs énergies totalisent toujours 100 unités.

Par exemple, si vous mesurez votre atome et le trouvez dans un état de 70 unités d'énergie, vous pouvez être certain que l'atome de votre ami a 30 unités d'énergie. Vous le sauriez même si votre ami ne vous révélait aucune information. Et grâce aux économies d'énergie, vous le sauriez même si votre ami était parti de l'autre côté de la galaxie.

Rien d'effrayant là-dedans.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.