Les chercheurs ont créé des paires de photons enchevêtrés et distribué les deux photons de chaque paire à deux stations de mesure dans des directions opposées. A chaque station de mesure, un télescope a reçu les photons de la source de rayonnement cosmique sélectionnée, qui est à au moins 11 années-lumière de la Terre. Les signaux de détection de photons cosmiques génèrent des bits aléatoires pour les choix de réglage de mesure pour le test Bell sans faille. Dans cette expérience, les chercheurs ont comblé les failles de détection et de localité, et a poussé la contrainte de temps pour exclure les modèles de variables cachées locales à 11 ans avant l'expérience. Crédit :Ming-Han Li, USTC, Shanghaï
Dans une nouvelle étude, les chercheurs démontrent des tactiques créatives pour se débarrasser des failles qui ont longtemps confondu les tests de la mécanique quantique. Avec leur méthode innovante, les chercheurs ont pu démontrer des interactions quantiques entre deux particules espacées de plus de 180 mètres (590 pieds) tout en éliminant la possibilité que des événements partagés au cours des 11 dernières années aient affecté leur interaction.
Un article expliquant ces résultats sera présenté à la conférence Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), du 15 au 19 septembre à Washington, D.C., ETATS-UNIS.
Les phénomènes quantiques sont explorés pour des applications en informatique, chiffrement, détection et plus, mais les chercheurs ne comprennent pas encore pleinement la physique qui les sous-tend. Les nouveaux travaux pourraient contribuer à faire progresser les applications quantiques en améliorant les techniques d'exploration de la mécanique quantique.
Un test pour les théories quantiques
Les physiciens ont longtemps été aux prises avec différentes idées sur les forces qui gouvernent notre monde. Alors que les théories de la mécanique quantique ont progressivement dépassé la mécanique classique, de nombreux aspects de la mécanique quantique restent mystérieux. Dans les années 1960, Le physicien John Bell a proposé une méthode pour tester la mécanique quantique connue sous le nom d'inégalité de Bell.
L'idée est que deux parties, surnommé Alice et Bob, effectuer des mesures sur des particules éloignées les unes des autres mais connectées les unes aux autres par intrication quantique.
Si le monde était en effet gouverné uniquement par la mécanique quantique, ces particules lointaines seraient régies par une corrélation non locale par interactions quantiques, de telle sorte que la mesure de l'état d'une particule affecte l'état de l'autre. Cependant, certaines théories alternatives suggèrent que les particules semblent seulement s'affecter les unes les autres, mais qu'en réalité elles sont reliées par d'autres variables cachées suivant le classique, plutôt que quantique, la physique.
Les chercheurs ont mené de nombreuses expériences pour tester l'inégalité de Bell. Cependant, les expériences ne peuvent pas toujours être parfaites, et il existe des failles connues qui pourraient entraîner des résultats trompeurs. Alors que la plupart des expériences ont fortement soutenu la conclusion que les interactions quantiques existent, ces failles laissent encore une faible possibilité que les chercheurs puissent affecter par inadvertance des variables cachées, laissant ainsi place au doute.
Combler les échappatoires
Dans la nouvelle étude, Li et ses collègues démontrent des moyens de combler ces lacunes et d'ajouter à la preuve que la mécanique quantique régit les interactions entre les deux particules.
"Nous avons réalisé un test de Bell sans faille avec les paramètres de mesure déterminés par des photons cosmiques distants. Ainsi, nous avons vérifié l'exhaustivité de la mécanique quantique avec une probabilité de confiance élevée, " a déclaré Ming-Han Li de l'Université des sciences et technologies de Chine, qui est l'auteur principal de l'article.
Leur dispositif expérimental comprend trois composants principaux :un appareil qui envoie périodiquement des paires de photons intriqués et deux stations qui mesurent les photons. Ces stations sont Alice et Bob, dans le jargon de l'inégalité de Bell. La première station de mesure est à 93 mètres (305 pieds) de la source de paires de photons et la deuxième station est à 90 mètres (295 pieds) dans la direction opposée.
Les photons intriqués voyagent à travers la fibre optique monomode jusqu'aux stations de mesure, où leur état de polarisation est mesuré avec une cellule de Pockels et les photons sont détectés par des détecteurs monophotoniques à nanofils supraconducteurs.
En concevant leur expérience, les chercheurs ont cherché à surmonter trois problèmes clés :l'idée que la perte et le bruit rendent la détection peu fiable (la faille de détection), l'idée que toute communication qui affecte les choix de mesure d'Alice et de Bob rend la mesure trichable (l'échappatoire de la localité), et l'idée qu'un choix de mesure qui n'est pas « vraiment libre et aléatoire » rend le résultat contrôlable par une cause cachée dans le passé commun (la faille de la liberté de choix).
Pour résoudre le premier problème, Li et ses collègues ont démontré que leur configuration atteignait un niveau de perte et de bruit suffisamment faible en comparant les mesures effectuées au début et à la fin du voyage du photon. Pour répondre à la seconde, ils ont construit la configuration expérimentale avec une séparation de type espace entre les événements du choix de réglage de mesure. Pour aborder le troisième, ils ont basé leurs choix de mesures sur le comportement des photons cosmiques 11 ans plus tôt, ce qui offre une grande confiance que rien dans le passé partagé des particules - depuis au moins les 11 dernières années - n'a créé de variable cachée affectant le résultat.
Combinant des prédictions calculées théoriquement avec des résultats expérimentaux, les chercheurs ont pu démontrer des interactions quantiques entre les paires de photons intriqués avec un degré élevé de confiance et de fidélité. Leur expérience fournit ainsi des preuves solides que les effets quantiques, plutôt que des variables cachées, sont à l'origine du comportement des particules.
