Le prix Nobel de physique 2022 a récompensé trois scientifiques qui ont apporté des contributions révolutionnaires à la compréhension de l'un des phénomènes naturels les plus mystérieux :l'intrication quantique.

En termes simples, l'intrication quantique signifie que les aspects d'une particule d'une paire intriquée dépendent des aspects de l'autre particule, quelle que soit leur distance ou ce qui les sépare. Ces particules pourraient être, par exemple, des électrons ou des photons, et un aspect pourrait être l'état dans lequel elles se trouvent, par exemple si elles "tournent" dans une direction ou une autre.

La partie étrange de l'intrication quantique est que lorsque vous mesurez quelque chose sur une particule dans une paire intriquée, vous savez immédiatement quelque chose sur l'autre particule, même si elles sont distantes de millions d'années-lumière. Cette connexion étrange entre les deux particules est instantanée, enfreignant apparemment une loi fondamentale de l'univers. Albert Einstein a qualifié ce phénomène d'"action effrayante à distance".

Après avoir passé la majeure partie de deux décennies à mener des expériences ancrées dans la mécanique quantique, j'en suis venu à accepter son étrangeté. Grâce à des instruments toujours plus précis et fiables et aux travaux des lauréats du prix Nobel de cette année, Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger, les physiciens intègrent désormais les phénomènes quantiques dans leur connaissance du monde avec un degré de certitude exceptionnel.

Cependant, même jusque dans les années 1970, les chercheurs étaient encore divisés sur la question de savoir si l'intrication quantique était un phénomène réel. Et pour cause :qui oserait contredire le grand Einstein, qui lui-même en doutait ? Il a fallu le développement de nouvelles technologies expérimentales et des chercheurs audacieux pour enfin dissiper ce mystère.

Existant dans plusieurs états à la fois

Pour vraiment comprendre le caractère effrayant de l'intrication quantique, il est important de comprendre d'abord la superposition quantique. La superposition quantique est l'idée que les particules existent dans plusieurs états à la fois. Lorsqu'une mesure est effectuée, tout se passe comme si la particule sélectionnait l'un des états de la superposition.

Par exemple, de nombreuses particules ont un attribut appelé spin qui est mesuré soit "vers le haut" soit "vers le bas" pour une orientation donnée de l'analyseur. Mais jusqu'à ce que vous mesuriez le spin d'une particule, elle existe simultanément dans une superposition de spin up et spin down.

Il y a une probabilité attachée à chaque état, et il est possible de prédire le résultat moyen à partir de nombreuses mesures. La probabilité qu'une seule mesure soit à la hausse ou à la baisse dépend de ces probabilités, mais est elle-même imprévisible.

Bien que très étranges, les mathématiques et un grand nombre d'expériences ont montré que la mécanique quantique décrit correctement la réalité physique.

Deux particules enchevêtrées

Le caractère effrayant de l'intrication quantique émerge de la réalité de la superposition quantique et était clair pour les pères fondateurs de la mécanique quantique qui ont développé la théorie dans les années 1920 et 1930.

Pour créer des particules intriquées, vous divisez essentiellement un système en deux, où la somme des parties est connue. Par exemple, vous pouvez diviser une particule de spin nul en deux particules qui auront nécessairement des spins opposés pour que leur somme soit nulle.

En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen ont publié un article décrivant une expérience de pensée conçue pour illustrer une absurdité apparente de l'intrication quantique qui remettait en cause une loi fondamentale de l'univers.

Une version simplifiée de cette expérience de pensée, attribuée à David Bohm, considère la désintégration d'une particule appelée méson pi. Lorsque cette particule se désintègre, elle produit un électron et un positron qui ont des spins opposés et s'éloignent l'un de l'autre. Par conséquent, si le spin de l'électron est mesuré vers le haut, alors le spin mesuré du positron ne peut être que vers le bas, et vice versa. Cela est vrai même si les particules sont distantes de milliards de kilomètres.

Ce serait bien si la mesure du spin de l'électron était toujours élevée et que le spin mesuré du positron était toujours bas. Mais à cause de la mécanique quantique, le spin de chaque particule est à la fois supérieur et inférieur jusqu'à ce qu'il soit mesuré. Ce n'est que lorsque la mesure se produit que l'état quantique du spin "s'effondre" vers le haut ou vers le bas - effondrant instantanément l'autre particule dans le spin opposé. Cela semble suggérer que les particules communiquent entre elles par des moyens qui se déplacent plus vite que la vitesse de la lumière. Mais selon les lois de la physique, rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. L'état mesuré d'une particule ne peut certainement pas déterminer instantanément l'état d'une autre particule à l'autre bout de l'univers ?

Les physiciens, dont Einstein, ont proposé un certain nombre d'interprétations alternatives de l'intrication quantique dans les années 1930. Ils ont émis l'hypothèse qu'il existait une propriété inconnue - appelée variables cachées - qui déterminait l'état d'une particule avant la mesure. Mais à l'époque, les physiciens ne disposaient pas de la technologie ni d'une définition d'une mesure claire qui pourrait tester si la théorie quantique devait être modifiée pour inclure des variables cachées.

Démentir une théorie

Il a fallu attendre les années 1960 avant qu'il y ait des indices de réponse. John Bell, un brillant physicien irlandais qui n'a pas vécu pour recevoir le prix Nobel, a conçu un schéma pour tester si la notion de variables cachées avait du sens.

Bell a produit une équation maintenant connue sous le nom d'inégalité de Bell qui est toujours correcte - et seulement correcte - pour les théories des variables cachées, et pas toujours pour la mécanique quantique. Ainsi, si l'équation de Bell s'avère non satisfaite dans une expérience du monde réel, les théories des variables cachées locales peuvent être exclues comme explication de l'intrication quantique.

Les expériences des lauréats du prix Nobel 2022, notamment celles d'Alain Aspect, ont été les premiers tests de l'inégalité de Bell. Les expériences ont utilisé des photons intriqués, plutôt que des paires d'un électron et d'un positon, comme dans de nombreuses expériences de pensée. Les résultats ont définitivement exclu l'existence de variables cachées, un attribut mystérieux qui prédéterminerait les états des particules intriquées. Collectivement, ces expériences et de nombreuses expériences ultérieures ont confirmé la mécanique quantique. Les objets peuvent être corrélés sur de grandes distances d'une manière que la physique avant la mécanique quantique ne peut pas expliquer.

Surtout, il n'y a pas non plus de conflit avec la relativité restreinte, qui interdit la communication plus rapide que la lumière. Le fait que des mesures sur de grandes distances soient corrélées n'implique pas que des informations soient transmises entre les particules. Deux parties éloignées effectuant des mesures sur des particules intriquées ne peuvent pas utiliser le phénomène pour transmettre des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Aujourd'hui, les physiciens continuent de rechercher l'intrication quantique et d'étudier les applications pratiques potentielles. Bien que la mécanique quantique puisse prédire la probabilité d'une mesure avec une précision incroyable, de nombreux chercheurs restent sceptiques sur le fait qu'elle fournit une description complète de la réalité. Une chose est certaine cependant. Much remains to be said about the mysterious world of quantum mechanics.