Une particule se séparant de ses propriétés peut aider à expliquer le paradoxe de l'impact d'un miroir sur une particule qui n'entre jamais en contact avec elle dans la communication quantique contrefactuelle. Crédit : lettres d'examen physique.
"Action effrayante à distance, " La sommation d'Einstein de la physique quantique, a été une critique de la mécanique quantique depuis que le domaine a émergé. Jusque là, descriptions de particules intriquées pour expliquer leurs réponses apparemment plus rapides que la lumière, et même les explications des déphasages induits par un champ électromagnétique dans les régions où il est nul - l'effet "Aharonov-Bohm" - ont principalement répondu à ces préoccupations. Cependant, les récentes démonstrations théoriques et expérimentales d'un protocole de communication quantique « contrefactuel » se sont avérées difficiles à expliquer en termes de cause et d'effet physiques. Dans ce genre de communication quantique, les observateurs de chaque côté d'un "canal de transmission" échangent des informations sans qu'aucune particule ne passe entre eux, ce qui est vraiment effrayant.
Maintenant, Yakir Aharonov, Professeur à l'Université de Tel Aviv en Israël et à l'Université Chapman aux États-Unis, et Daniel Rohrlich, Professeur à l'Université Ben Gourion du Néguev en Israël, ont examiné de plus près ce protocole de communication quantique contrefactuel en termes de propriétés de particules conservées. Leur analyse fournit une explication de la communication quantique contrefactuelle qui ne fait pas appel à « une action effrayante à distance, " mais implique plutôt que la particule et l'une de ses propriétés conservées, le moment angulaire modulaire, se séparent.
Le protocole quantique effrayant
Le protocole de communication quantique contrefactuel rapporté en 2013 est né d'études théoriques de deux observateurs - la bonne vieille Alice et Bob - en liaison via des particules le long d'un canal de transmission, comme rapporté par Hatim Salih, Zheng Hong Li, Mohammad Al-Amri et Muhammad Suhail Zubairy (alors au National Center for Mathematics and Physics en Arabie saoudite et Texas A&M University aux États-Unis).
"Ils se sont beaucoup intéressés au fait que ces particules massives, qui seraient des signaux, pourrait être arrêté et bloqué, " explique Rohrlich. Dans leur analyse, Salih et ses co-auteurs ont montré que lorsqu'il y avait deux barrières partiellement bloquantes dans le canal, Alice a pu identifier si Bob avait fermé son extrémité du canal avec un miroir réfléchissant ou l'avait laissé ouvert, même si la fonction d'onde telle qu'elle évoluait dans les conditions définies ne pouvait pas entrer dans l'extrémité du canal de Bob.
"Nous avons trouvé cela extrêmement intéressant - la possibilité de communiquer sans que rien ne passe entre les deux personnes qui communiquent entre elles, " dit Aharonov. " Et nous voulions voir si nous pouvions mieux le comprendre. "
Une approche conservatrice
En réalité, Aharonov a déjà un héritage dans les interprétations de phénomènes quantiques apparemment étranges, remontant à son travail en 1959 pour expliquer l'effet Aharonov-Bohm, parfois appelé effet Ehrenberg-Siday-Aharonov-Bohm en reconnaissance d'une prédiction théorique de l'effet en 1949. Les chercheurs expérimentaux avaient observé un déphasage des particules chargées à proximité d'un champ électromagnétique même si le champ était nul dans toute la région occupée par la fonction d'onde de la particule.
"D'habitude, les gens ne pensent qu'à la fonction d'onde, " dit Aharonov, se référant aux descriptions courantes de la superposition. "Ils y pensent mathématiquement mais ils ne le relient pas à une quantité conservée qui est la quantité de mouvement modulaire." En analysant les effets quantiques en termes d'échange d'une variable conservée, la quantité de mouvement modulaire, Aharonov et David Bohm ont pu expliquer l'effet Aharonov-Bohm. Maintenant, aux côtés de Rohrlich, il se mit à appliquer le même type d'analyse au protocole de communication quantique contrefactuel.
Rohrlich et Aharonov ont envisagé deux canaux de transmission parallèles, l'un avec l'extrémité de Bob fermée avec un miroir et l'autre avec elle ouverte. (Cela équivaut également à un seul canal de transmission où le miroir de Bob est dans une superposition d'états ouvert et fermé.) Ils considèrent alors une fonction d'onde initiale dans une superposition de l'état dans le canal ouvert plus l'état dans le canal fermé.
Le problème se pose parce que, comme Salih et ses co-auteurs l'ont montré, la fonction d'onde évolue différemment selon que l'extrémité de Bob est fermée ou non. Par conséquent, après un certain laps de temps, la superposition sera l'état d'un canal moins l'état de l'autre canal, mais cela équivaut à une phase différente de la fonction d'onde initiale. Étant donné que le moment angulaire modulaire dépend de la phase, cela suggère que le moment angulaire modulaire de la particule a changé même si la fonction d'onde de la particule ne pouvait pas occuper la partie du canal où Bob a son miroir ouvert ou fermé.
"La seule façon d'expliquer comment le moment angulaire a changé est qu'une partie du moment angulaire de la particule l'a quitté et est allé de l'autre côté, " dit Aharonov. Comme lui et Rohrlich l'expliquent, une partie du moment cinétique quitte la particule, pénètre dans la région du canal de transmission que la fonction d'onde de la particule ne peut pas, et là, il est absorbé par le miroir de sorte que la valeur du moment angulaire modulaire sur la particule est modifiée. Ils suggèrent également que des résultats similaires pourraient résulter de la prise en compte du moment angulaire de spin et d'autres propriétés conservées.
Propriétés capricieuses
Aharonov et Rohrlich comparent le comportement de la particule et son moment angulaire modulaire au chat du Cheshire souriant dans "Alice's Adventures in Wonderland, " qui semble avancer, laissant son sourire derrière. "Bien qu'il soit très surprenant que des propriétés puissent quitter leurs particules, ce n'est pas aussi surprenant que de dire qu'il ne s'est rien passé et qu'il y a eu un effet, " dit Aharonov, comparant leur explication avec l'idée de la particule avec ses propriétés ne rencontrant rien qui puisse changer le moment angulaire modulaire, pourtant cette propriété change de toute façon.
Comme tous les nouveaux concepts, L'explication d'Aharonov et Rohrlich n'est pas sans critiques, Soit. Rohrlich souligne le point soulevé par l'un des évaluateurs (anonymes) de l'article, qui a néanmoins donné une appréciation globalement positive de l'article. « Ils disaient, avec humour, oui nous avons évité un problème, mais nous nous sommes retrouvés dans un autre problème, " dit Rohrlich. Pourtant, ajoute-t-il, "Si vous parlez d'un chat et de son sourire, c'est très étrange, mais bien sûr, tout cela doit se traduire en particules élémentaires, et si une particule élémentaire perd son spin parce que son spin va ailleurs, c'est peut-être une chose à laquelle nous pouvons nous habituer."
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