Comme l'a dit Richard Feynman, "l'expérience de la double fente est absolument impossible à expliquer de manière classique et a en elle le cœur de la mécanique quantique. En réalité, il contient le seul mystère."

En effet, dans cette expérience, une particule quantique se comporte comme si elle se trouvait à deux endroits distincts en même temps, et présente des phénomènes ondulatoires paradigmatiques tels que les interférences. Cependant, il a été noté plus tard que les expériences multi-fentes montrent que le degré de délocalisation des particules quantiques a ses limites, et que dans un certain sens, les particules quantiques ne peuvent pas être délocalisées simultanément à plus de deux emplacements. Cette limitation a créé un casse-tête qui à ce jour n'a pas encore été complètement résolu. Des chercheurs de l'Université de Vienne et de l'IQOQI-Vienne (Académie autrichienne des sciences) ont fait un pas important vers la compréhension de ce problème en reformulant les expériences d'interférence en termes de jeux théoriques de l'information. leur analyse, qui a récemment paru dans la revue Quantum, fournit une façon intuitive de penser les phénomènes d'interférence et ses limites, ouvrant ainsi la voie à la résolution de l'énigme susmentionnée.

L'une des caractéristiques les plus frappantes de la mécanique quantique est le principe de superposition. Ce principe peut être plus facilement illustré par l'expérience de la double fente, ce qui implique une particule qui est envoyée à travers une plaque percée de deux fentes. Selon nos intuitions quotidiennes communes, on pourrait s'attendre à ce que la particule passe toujours soit par une fente, ou par l'autre. Cependant, la mécanique quantique implique que la particule peut dans un certain sens passer par les deux fentes en même temps, C'est, il peut être dans une superposition de deux emplacements en même temps. Cette possibilité sous-tend le phénomène d'interférence quantique, c'est-à-dire le comportement ondulatoire frappant des particules quantiques. Maintenant, existe-t-il un moyen de quantifier le degré auquel les particules quantiques peuvent être délocalisées ? La théorie quantique permet-elle aux particules de traverser plus de deux chemins en même temps ? Pour comprendre ces questions, les physiciens ont analysé "des expériences multi-fentes, ", qui ne diffèrent de l'expérience de la double fente que par le nombre de fentes :par exemple, une expérience à triple fente implique une particule envoyée à travers trois fentes.

On peut penser que si une particule quantique peut traverser deux fentes en même temps, il doit aussi pouvoir passer simultanément par trois, quatre, ou n'importe quel nombre de fentes. Étonnamment, il a été immédiatement noté que tout motif obtenu dans les expériences à fentes multiples peut s'expliquer par le fait que la particule traverse toujours au plus deux fentes en même temps. Même si cette caractéristique est mathématiquement bien comprise, les questions suivantes restent sans réponse :y a-t-il une raison physique à l'apparente asymétrie entre l'expérience à double fente et les expériences à fentes multiples ? Qu'est-ce qui sous-tend cette limitation quelque peu arbitraire de la « délocalisation » des particules quantiques ?

Dans leurs récents travaux, Sebastian Horvat et Borivoje Dakić, chercheurs à l'Université de Vienne et à l'IQOQI-Vienne (Académie autrichienne des sciences), ont fait un pas important vers la compréhension de ce problème en l'abordant avec la théorie de l'information. À savoir, ils ont reformulé les phénomènes d'interférence et les expériences multi-fentes en termes de « jeux de parité », dont le cas le plus simple est illustré sur la figure. Le jeu implique deux joueurs, Alice et Bob, qui sont séparés par un mur percé de quatre paires de tubes. Chaque paire de tubes peut être droite ou torsadée, et le nombre de paires torsadées est inconnu à la fois d'Alice et de Bob. Par ailleurs, Alice dispose d'un certain nombre de billes qu'elle peut feuilleter dans les tubes en direction de Bob; les joueurs peuvent utiliser ces billes pour apprendre quelque chose sur la structure des tubes.

Le but du jeu est que les joueurs coopèrent et découvrent si le nombre total de paires torsadées est pair ou impair, en utilisant le moins de billes possible. Maintenant, supposons qu'Alice jette une bille à travers l'un des tubes, par exemple à travers le second. Bob peut alors facilement déduire si la première paire de tubes est droite ou tordue en vérifiant simplement si la bille est tombée à travers le deuxième tube ou à travers le premier. De manière analogue, si Alice a à disposition quatre billes, elle peut passer chacun d'eux à travers le tube droit de chaque paire (comme c'est le cas sur la figure). Bob peut alors déduire directement le nombre de paires torsadées, et donc si ce nombre est pair ou impair, gagnant ainsi la partie. Cependant, si le nombre de paires de tubes dépasse le nombre de billes dont dispose Alice, alors le jeu ne peut pas être gagné, car il y aura toujours au moins une paire de tubes, sur laquelle Bob ne peut recueillir aucune information. Par conséquent, pour gagner la partie, les joueurs doivent utiliser autant de billes qu'il y a de paires de tubes.

D'autre part, mécanique quantique, et plus précisément, le principe de superposition, permet aux joueurs de remporter la partie illustrée sur la figure en n'utilisant que deux « billes quantiques » ! Une façon de comprendre d'où vient cette amélioration est de se rappeler, comme il a été dit précédemment, qu'une particule quantique peut "passer par deux endroits en même temps". Deux billes quantiques peuvent ainsi "passer simultanément par quatre emplacements", imitant ainsi le comportement de quatre billes ordinaires (classiques). "Dans ce jeu, les billes se comportent de manière analogue aux jetons qui peuvent être insérés à travers les tubes. Quand Alice insère une bille classique ordinaire, c'est comme si elle avait inséré 1 penny.

D'autre part, comme la théorie quantique permet aux billes de "passer à travers 2 tubes en même temps", chaque bille quantique vaut 2 centimes. La valeur des jetons est additive :par exemple, pour gagner la partie, Alice peut soit insérer 4 billes classiques ou 2 billes quantiques, car la valeur totale du jeton est dans les deux cas égale à 4 centimes", explique Sébastien Horvat. D'autre part, rappelons qu'une particule quantique ne peut pas traverser plus de deux emplacements en même temps :cela se traduit par le fait qu'Alice et Bob ne peuvent pas gagner la partie en utilisant moins de deux billes quantiques. D'où, pour gagner la partie, le nombre de billes quantiques envoyées par Alice doit être au moins égal à la moitié du nombre total de paires de tubes.

Dans leur travail, les chercheurs ont analysé des formulations plus générales de ce jeu et ont étudié les performances des joueurs en fonction du nombre de particules et du caractère classique ou non des particules, quantum, ou de nature plus générale et hypothétique. Borivoje Dakić ajoute :« Ces particules hypothétiques possèdent un pouvoir de traitement de l'information plus élevé, C'est, leurs jetons correspondants sont valables plus de 2 centimes. On ne sait pas pourquoi la nature devrait préférer les particules classiques et quantiques à ces hypothétiques :c'est quelque chose que nous devrons encore étudier à l'avenir. »

En tout, les jeux de parité fournissent une description alternative des interférences quantiques dans un cadre plus général et intuitif, qui, espérons-le, éclairera les nouvelles caractéristiques de la superposition quantique, de la même manière que l'étude de l'intrication quantique a été approfondie à travers la formulation des soi-disant « jeux non locaux ».