Le principe de superposition quantique a été testé à une échelle comme jamais auparavant dans une nouvelle étude menée par des scientifiques de l'Université de Vienne en collaboration avec l'Université de Bâle. Chaud, des molécules complexes composées de près de deux mille atomes ont été amenées dans une superposition quantique et amenées à interférer. En confirmant ce phénomène - "le cœur de la mécanique quantique, " selon les mots de Richard Feynman - sur une nouvelle échelle de masse, des contraintes améliorées sur les théories alternatives à la mécanique quantique ont été placées. L'ouvrage sera publié dans Physique de la nature .

Quantique au classique ?

Le principe de superposition est une caractéristique de la théorie quantique qui émerge de l'une des équations les plus fondamentales de la mécanique quantique, l'équation de Schrödinger. Il décrit les particules dans le cadre des fonctions d'onde, lequel, un peu comme les vagues d'eau à la surface d'un étang, peuvent présenter des effets d'interférence. Mais contrairement aux vagues d'eau, qui sont un comportement collectif de nombreuses molécules d'eau en interaction, les ondes quantiques peuvent également être associées à des particules isolées isolées.

L'exemple le plus élégant de la nature ondulatoire des particules est peut-être l'expérience à double fente, dans laquelle la fonction d'onde d'une particule passe simultanément par deux fentes et interfère. Cet effet a été démontré pour les photons, électrons, neutrons, atomes et même molécules, et cela soulève une question avec laquelle les physiciens et les philosophes se sont débattus depuis les premiers jours de la mécanique quantique :comment ces étranges effets quantiques font-ils la transition dans le monde classique avec lequel nous sommes tous familiers

Approche expérimentale

Les expériences de Markus Arndt et de son équipe à l'Université de Vienne abordent cette question de la manière la plus directe possible, C'est, en montrant des interférences quantiques avec des objets de plus en plus massifs. Les molécules dans les expériences récentes ont des masses supérieures à 25, 000 unités de masse atomique, plusieurs fois plus grand que le précédent record. L'une des plus grosses molécules envoyées à travers l'interféromètre, C707H260F908N16S53Zn4, est composé de plus de 40, 000 protons, neutrons, et des électrons, avec une longueur d'onde de de Broglie mille fois plus petite que le diamètre d'un seul atome d'hydrogène. Marcel Mayor et son équipe de l'Université de Bâle ont utilisé des techniques spéciales pour synthétiser de telles molécules massives qui étaient suffisamment stables pour former un faisceau moléculaire dans un ultra-vide. Prouver la nature quantique de ces particules a également nécessité un interféromètre à ondes de matière avec une ligne de base de deux mètres de long qui a été spécialement construit à Vienne.

Modèles quantiques alternatifs et macroscopicité

Une classe de modèles qui vise à réconcilier la transition apparente d'un régime quantique à un régime classique prédit que la fonction d'onde d'une particule s'effondre spontanément avec une vitesse proportionnelle à sa masse au carré. En montrant expérimentalement qu'une superposition est maintenue pour une particule lourde pendant une durée donnée, place donc directement des limites sur la fréquence et la localisation d'un tel processus d'effondrement. Dans ces expériences, les molécules sont restées en superposition pendant plus de 7 ms, suffisamment longtemps pour définir de nouvelles limites interférométriques sur des modèles quantiques alternatifs.

Une mesure généralisée appelée macroscopicité est utilisée pour classer à quel point les modèles alternatifs sont exclus par de telles expériences, et les expériences de Fein et al. Publié dans Physique de la nature représentent en effet un ordre de grandeur d'augmentation de la macroscopicité. "Nos expériences montrent que la mécanique quantique, avec toute sa bizarrerie, est aussi étonnamment robuste, et je suis optimiste que les futures expériences le testeront à une échelle encore plus massive, " dit Fein. La frontière entre le quantique et le classique devient de plus en plus floue.