Dans les années 1930, lorsque des scientifiques, dont Albert Einstein et Erwin Schrödinger, ont découvert pour la première fois le phénomène de l'intrication, ils étaient perplexes. L'enchevêtrement, de manière inquiétante, nécessitait que deux particules séparées restent connectées sans être en contact direct. Einstein a qualifié l'intrication d'"action effrayante à distance", car les particules semblaient communiquer plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Pour expliquer les implications bizarres de l'intrication, Einstein, avec Boris Podolsky et Nathan Rosen (EPR), a fait valoir que des "variables cachées" devraient être ajoutées à la mécanique quantique pour expliquer l'intrication et pour restaurer la "localité" et la "causalité" du comportement. des particules. La localité indique que les objets ne sont influencés que par leur environnement immédiat. La causalité stipule qu'un effet ne peut pas se produire avant sa cause et que la signalisation causale ne peut pas se propager plus rapidement que la vitesse de la lumière. Niels Bohr a contesté l'argument de l'EPR, tandis que Schrödinger et Wendell Furry, en réponse à l'EPR, ont indépendamment émis l'hypothèse que l'intrication disparaît avec la séparation des particules larges.

Malheureusement, aucune preuve expérimentale pour ou contre l'intrication quantique de particules largement séparées n'était alors disponible. Des expériences ont depuis prouvé que l'enchevêtrement est très réel et fondamental pour la nature. De plus, il a maintenant été prouvé que la mécanique quantique fonctionnait, non seulement à de très courtes distances, mais aussi à de très grandes distances. En effet, le satellite de communication à cryptage quantique chinois, Micius, repose sur l'intrication quantique entre des photons séparés par des milliers de kilomètres.

La toute première de ces expériences a été proposée et exécutée par l'ancien élève de Caltech John Clauser (BS '64) en 1969 et 1972, respectivement. Ses découvertes sont basées sur le théorème de Bell, conçu par le théoricien du CERN John Bell. En 1964, Bell a ironiquement prouvé que l'argument d'EPR conduisait en fait à la conclusion opposée à ce qu'EPR avait initialement voulu montrer. Bell a montré que l'intrication quantique est, en fait, incompatible avec la notion de localité et de causalité d'EPR.

En 1969, alors qu'il était encore étudiant diplômé à l'Université de Columbia, Clauser, avec Michael Horne, Abner Shimony et Richard Holt, a transformé le théorème mathématique de Bell de 1964 en une prédiction expérimentale très spécifique via ce qu'on appelle maintenant le Clauser – Horne – Shimony – Holt. (CHSH) inégalité (Leur article a été cité plus de 8 500 fois sur Google Scholar.) En 1972, alors qu'il était chercheur postdoctoral à l'UC Berkeley et au Lawrence Berkeley National Laboratory, Clauser et l'étudiant diplômé Stuart Freedman ont été les premiers à prouver expérimentalement que deux particules largement séparées (environ 10 pieds de distance) peuvent être enchevêtrées. Clauser a ensuite effectué trois autres expériences testant les fondements de la mécanique quantique et de l'intrication, chaque nouvelle expérience confirmant et étendant ses résultats. L'expérience Freedman-Clauser a été le premier test de l'inégalité CHSH. Il a maintenant été testé expérimentalement des centaines de fois dans des laboratoires du monde entier pour confirmer que l'intrication quantique est réelle.

Les travaux de Clauser lui ont valu le prix Wolf 2010 de physique. Il l'a partagé avec Alain Aspect de l'Institut d'Optique et de l'Ecole Polytechnique et Anton Zeilinger de l'Université de Vienne et de l'Académie Autrichienne des Sciences "pour une série de plus en plus sophistiquée de tests des inégalités de Bell, ou de leurs extensions, utilisant des états quantiques intriqués, " selon la citation du prix.

Ici, John Clauser répond à des questions sur ses expériences historiques.

Nous avons entendu dire que votre idée de tester les principes de l'intrication n'était pas attrayante pour les autres physiciens. Pouvez-vous nous en dire plus ?

Dans les années 1960 et 1970, les tests expérimentaux de la mécanique quantique étaient impopulaires à Caltech, Columbia, UC Berkeley et ailleurs. Ma faculté à Columbia m'a dit que tester la physique quantique allait détruire ma carrière. Alors que je réalisais l'expérience Freedman-Clauser de 1972 à l'UC Berkeley, Richard Feynman de Caltech a été très offensé par mon effort impertinent et m'a dit que cela revenait à professer une incrédulité en physique quantique. Il a insisté avec arrogance sur le fait que la mécanique quantique est évidemment correcte et n'a pas besoin d'autres tests ! Mon accueil à l'UC Berkeley a été au mieux tiède et n'a été possible que grâce à la gentillesse et à la tolérance des professeurs Charlie Townes [Ph.D. '39, lauréat du prix Nobel '64] et Howard Shugart [BS '53], qui m'ont permis de poursuivre mes expériences là-bas.

Dans ma correspondance avec John Bell, il a exprimé exactement le sentiment opposé et m'a fortement encouragé à faire une expérience. Le travail précurseur de John Bell en 1964 sur le théorème de Bell a été initialement publié dans le dernier numéro d'une revue obscure, Physics , et dans un journal de physique souterrain, Epistemological Letters . Ce n'est qu'après que l'article de 1969 du CHSH et les résultats de Freedman-Clauser de 1972 ont été publiés dans les Physical Review Letters que John Bell a finalement discuté ouvertement de son travail. Il était conscient du tabou sur la remise en question des fondements de la mécanique quantique et n'en avait jamais discuté avec ses collègues du CERN.

Qu'est-ce qui vous a donné envie de poursuivre les expériences de toute façon ?

Une partie de la raison pour laquelle je voulais tester les idées était parce que j'essayais encore de les comprendre. J'ai trouvé les prédictions d'intrication suffisamment bizarres pour que je ne puisse pas les accepter sans voir la preuve expérimentale. J'ai également reconnu l'importance fondamentale des expériences et j'ai simplement ignoré les conseils de carrière de ma faculté. De plus, je m'amusais beaucoup à faire de la physique expérimentale très difficile avec des appareils que j'ai construits principalement en utilisant les restes de la ferraille du département de physique. Avant que Stu Freedman et moi ne fassions la première expérience, je pensais aussi personnellement que la physique des variables cachées d'Einstein pourrait en fait être correcte, et si c'est le cas, alors je voulais le découvrir. J'ai trouvé les idées d'Einstein très claires. J'ai trouvé Bohr plutôt confus et difficile à comprendre.

Qu'espériez-vous trouver lorsque vous avez fait les expériences ?

En vérité, je ne savais vraiment pas à quoi m'attendre, sauf que j'allais enfin déterminer qui avait raison - Bohr ou Einstein. Certes, je pariais en faveur d'Einstein, mais je ne savais pas vraiment qui allait gagner. C'est comme aller à l'hippodrome. Vous pouvez espérer qu'un certain cheval gagnera, mais vous ne le savez pas vraiment tant que les résultats ne sont pas connus. Dans ce cas, il s'est avéré qu'Einstein avait tort. Dans la tradition de Richard Feynman et Kip Thorne [BS '62] de Caltech, qui plaçaient des paris scientifiques, j'ai parié avec le physicien quantique Yakir Aharonov sur le résultat de l'expérience Freedman-Clauser. Curieusement, il n'a misé qu'un dollar contre mes deux. J'ai perdu le pari et j'ai joint un billet de deux dollars et des félicitations lorsque je lui ai envoyé une préimpression avec nos résultats.

J'étais très triste de voir que ma propre expérience avait prouvé qu'Einstein avait tort. Mais l'expérience a donné un résultat de 6,3 sigma contre lui [un résultat de cinq sigma ou plus est considéré comme l'étalon-or de la signification en physique]. Mais l'expérience concurrente de Dick Holt et Frank Pipkin à Harvard (jamais publiée) a obtenu le résultat opposé. Je me demandais si j'avais peut-être oublié un détail important. Je suis allé seul à UC Berkeley pour effectuer trois autres tests expérimentaux de mécanique quantique. Tous ont abouti aux mêmes conclusions. Bohr avait raison et Einstein avait tort. Le résultat de Harvard ne s'est pas répété et était défectueux. Quand j'ai repris contact avec ma faculté de Columbia, ils ont tous dit :« Nous vous l'avions dit ! Maintenant, arrêtez de gaspiller de l'argent et allez faire de la vraie physique. À ce stade de ma carrière, la seule valeur de mon travail était qu'il démontrait que j'étais un physicien expérimental raisonnablement talentueux. Ce seul fait m'a permis d'obtenir un emploi au Lawrence Livermore National Lab, où je faisais de la recherche en physique des plasmas à fusion contrôlée.

Pouvez-vous nous aider à comprendre exactement ce que vos expériences ont montré ?

Afin de clarifier ce que les expériences ont montré, Mike Horne et moi avons formulé ce qui est maintenant connu sous le nom de Clauser-Horne Local Realism [1974]. Des contributions supplémentaires ont ensuite été proposées par John Bell et Abner Shimony, il est donc peut-être plus approprié de l'appeler Bell – Clauser – Horne – Shimony Local Realism. Le réalisme local a été de très courte durée en tant que théorie viable. En effet, elle a été expérimentalement réfutée avant même d'être pleinement formulée. Néanmoins, le réalisme local est heuristiquement important car il montre en détail ce que la mécanique quantique n'est pas.

Le réalisme local suppose que la nature se compose de choses, d'objets objectivement réels, c'est-à-dire. e., trucs que vous pouvez mettre dans une boîte. (Une boîte est ici une surface fermée imaginaire définissant des volumes intérieurs et extérieurs séparés.) Elle suppose en outre que les objets existent, que nous les observions ou non. De même, des résultats expérimentaux précis sont supposés être obtenus, que nous les examinions ou non. Nous ne savons peut-être pas de quoi il s'agit, mais nous supposons qu'il existe et qu'il est distribué dans l'espace. Les choses peuvent évoluer de manière déterministe ou stochastique. Le réalisme local suppose que les éléments contenus dans une boîte ont des propriétés intrinsèques et que, lorsque quelqu'un effectue une expérience dans la boîte, la probabilité de tout résultat obtenu est en quelque sorte influencée par les propriétés des éléments contenus dans cette boîte. Si l'on effectue, par exemple, une expérience différente avec des paramètres expérimentaux différents, on obtient alors vraisemblablement un résultat différent. Supposons maintenant que l'on ait deux boîtes largement séparées, chacune contenant des choses. Le réalisme local suppose en outre que le choix du paramètre expérimental effectué dans une boîte ne peut pas affecter le résultat expérimental dans la boîte distante. Le réalisme local interdit ainsi l'action fantasmagorique à distance. Il applique la causalité d'Einstein qui interdit toute cause et effet non locaux. Étonnamment, ces hypothèses simples et très raisonnables sont suffisantes à elles seules pour permettre la dérivation d'une deuxième prédiction expérimentale importante limitant la corrélation entre les résultats expérimentaux obtenus dans les boîtes séparées. Cette prédiction est l'inégalité de Clauser-Horne (CH) de 1974.

La dérivation de l'inégalité CHSH de 1969 avait nécessité plusieurs hypothèses supplémentaires mineures, parfois appelées «échappatoires». La dérivation de l'inégalité CH élimine ces hypothèses supplémentaires et est donc plus générale. Il existe des systèmes intriqués quantiques qui ne sont pas d'accord avec la prédiction CH, selon laquelle le réalisme local se prête à une réfutation expérimentale. Les inégalités CHSH et CH sont toutes deux violées, non seulement par la première expérience Freedman-Clauser de 1972 et ma deuxième expérience de 1976, mais maintenant par des centaines d'expériences indépendantes de confirmation. Divers laboratoires ont maintenant enchevêtré et violé l'inégalité CHSH avec des paires de photons, des paires d'ions béryllium, des paires d'ions ytterbium, des paires d'atomes de rubidium, des paires entières de nuages ​​d'atomes de rubidium, des lacunes d'azote dans les diamants et des qubits de phase Josephson.

Tester le réalisme local et l'inégalité CH a été considéré par de nombreux chercheurs comme important pour éliminer les lacunes du CHSH. Des efforts considérables ont donc été déployés, au fur et à mesure que la technologie de l'optique quantique s'améliorait et le permettait. Tester l'inégalité CH était devenu un défi sacré pour les expérimentateurs. La violation de l'inégalité CH a finalement été réalisée d'abord en 2013 et à nouveau en 2015 dans deux laboratoires concurrents:le groupe d'Anton Zeilinger à l'Université de Vienne et le groupe de Paul Kwiat à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Les expérimentations 2015 ont impliqué 56 chercheurs ! Le réalisme local est désormais solidement réfuté ! L'accord entre les expériences et la mécanique quantique prouve maintenant fermement que l'intrication quantique non locale est réelle.

Quelles sont certaines des applications technologiques importantes de votre travail ?

Une application de mon travail est à l'objet le plus simple possible défini par le réalisme local - un seul bit d'information. Le réalisme local montre qu'un seul bit d'information mécanique quantique, un "qubit", ne peut pas toujours être localisé dans une boîte spatio-temporelle. Ce fait fournit la base fondamentale de la théorie de l'information quantique et de la cryptographie quantique. Le programme de science et de technologie quantiques de Caltech, l'Initiative nationale quantique américaine de 1,28 milliard de dollars en 2019 et l'Initiative nationale quantique israélienne de 400 millions de dollars en 2019 reposent tous sur la réalité de l'intrication. La configuration du système de satellites de communication à cryptage quantique chinois Micius est presque identique à celle de l'expérience Freedman-Clauser. Il utilise l'inégalité CHSH pour vérifier la persistance de l'intrication dans l'espace extra-atmosphérique. + Explorer plus loin

Les chercheurs ont démontré la violation de l'inégalité de Bell sur les paires de photons intriqués en fréquence