Une mesure sur une particule a un effet instantané sur son autre moitié intriquée, quelle que soit la distance qui les sépare. Des résultats de recherche récents confirment que la physique quantique décrit correctement cette "action fantôme à distance". L'explication alternative d'Einstein est perdante.
Dans "Halloween en physique quantique - Partie 1 :Einstein voit des fantômes", nous avons réuni deux propriétés de la physique quantique.
D'un côté, vous avez une paire de particules intriquées. Par exemple, deux particules A et B qui s'éloignent l'une de l'autre après leur formation conjointe continuent de se comporter comme une seule, quelle que soit la distance qui les sépare. Comme si un lien invisible les tenait ensemble. D'autre part, la physique quantique suggère qu'une particule ne prend une certaine valeur pour une propriété (emplacement, spin, ...) que lorsqu'une mesure a lieu. Jusqu'à juste avant cela, la particule assume tous les résultats possibles à la fois, pour ainsi dire.
La combinaison des deux conduit alors à une mesure sur A retirant immédiatement B de son indétermination, sans mesure spécifique sur B. Dans le cas de la propriété de spin pour une paire de particules de valeurs de spin opposées, la mesure de spin sur A donne + 1/ 2 amène B à obtenir la valeur -1/2 exactement au même moment. Jusqu'à juste avant la mesure de A, A et B étaient dans une composition de valeurs +1/2 et -1/2.
L'étrangeté de la physique quantique nous surprend pas moins de trois fois :que la valeur d'une propriété soit indéterminée jusqu'à ce qu'on la regarde (violation du réalisme), qu'il est impossible de déterminer à l'avance si A vaut +1/2 ou -1/2 (violation du déterminisme) et que B prend immédiatement la valeur -1/2 lors de la mesure de A, alors que l'information sur la valeur mesurée de A selon la théorie de la relativité ne peut pas atteindre B plus rapidement qu'avec la vitesse de la lumière ( violation de localité).
Un peu trop pour Einstein, qui propose donc l'explication alternative qu'il existe en réalité des variables cachées qui déterminent à l'avance quelle valeur A et B prendront sur une mesure. Si cela est correct, vous pouvez continuer à utiliser la physique quantique, tant que vous réalisez qu'il s'agit d'une théorie incomplète, qui ne décrit pas comment les choses fonctionnent réellement dans la réalité.
Einstein a illustré sa vision de la physique quantique comme une théorie incomplète en concevant une expérience de pensée en 1935 avec ses collègues Podolsky et Rosen. Il a utilisé une propriété supplémentaire de la physique quantique :les relations d'incertitude de Heisenberg. Celles-ci imposent des limites à la précision avec laquelle vous pouvez mesurer simultanément la valeur de couples de grandeurs physiques, quelle que soit la qualité de votre équipement de mesure. Par exemple, plus vous mesurez avec précision la quantité de mouvement (produit de la masse et de la vitesse) d'un électron, moins vous pouvez déterminer précisément sa position, et vice versa. Ou plus vous mesurez avec précision la composante de la quantité de mouvement le long d'un axe choisi, moins vous pouvez la déterminer avec précision le long d'un axe qui lui est perpendiculaire.
Le trio Einstein, Podolsky et Rosen, communément abrégé en EPR, a ensuite exécuté une paire imaginaire de particules intriquées dans laquelle vous mesurez l'impulsion de la particule A le long d'un axe x choisi et donc aussi la valeur de la composante x de l'impulsion de la particule B. enregistre sans avoir à la mesurer. En même temps, vous mesurez la composante y (perpendiculaire à x) de la quantité de mouvement de la particule B. Mais alors vous avez enregistré la composante x et la composante y de la quantité de mouvement de B (et aussi A) simultanément et précisément, ce qui est contradictoire avec les relations d'incertitude. Ce résultat est connu sous le nom de paradoxe EPR. L'expérience de pensée conduit ainsi à une incohérence en physique quantique, qui devrait montrer qu'elle ne peut pas être une théorie complète.
Einstein a été acclamé pour sa théorie alternative des variables cachées, même si la publication du paradoxe EPR n'a pas été un exemple immédiat de clarté. À l'époque, Einstein croyait apparemment que Podolsky pouvait faire le travail d'écriture par lui-même, et par la suite, il s'ennuyait assez de l'histoire confuse qu'il avait concoctée. Ajoutez à cela le fait que la majeure partie de l'attention de cette période a été consacrée à la recherche expérimentale passionnante et réussie, et vous pouvez comprendre que le débat philosophique sur la manière dont la théorie quantique décrit correctement la réalité s'est estompé des événements actuels.
En 1951, David Bohm a donné un nouveau souffle à la discussion en traduisant l'expérience de pensée de 1935 en une représentation limpide que nous avons déjà utilisée à la fois ci-dessus et dans la partie 1 :une paire de particules enchevêtrées en mouvement avec des valeurs de spin possibles +1/ 2 et -1/2 et spin total 0. La description de Bohm, communément appelée EPRB, tenait également la promesse de tester expérimentalement le fonctionnement à distance dans une paire intriquée, même si la technologie n'était pas encore prête pour cela.
Mais une telle expérience serait incapable de déterminer si nous devons alors accepter la description de la physique quantique ou l'explication alternative d'Einstein. Tout cela a changé lorsque John Bell a conçu une configuration expérimentale en 1964 qui prédit des résultats différents lorsque des variables cachées existent que lorsque la physique quantique est en vigueur.
Quelle est exactement la différence entre les deux modèles explicatifs ? Dans la théorie des variables cachées, les deux particules « savent » d'emblée comment elles vont réagir à une mesure à effectuer plus tard, comme si elles s'étaient mises d'accord à l'avance sur une stratégie au sens de « dans ce type de mesure, je suis +1/2 et vous -1/2, dans ce type juste l'inverse ». En physique quantique, au contraire, tout reste indéterminé tant qu'il n'est pas mesuré. Nous savons que les deux résultats ont une probabilité de 50 %, mais le résultat concret pour une paire de particules donnée est impossible à prédire.
Mais comment cela peut-il conduire à une différence, puisque la règle selon laquelle les deux particules ont des spins opposés doit être respectée de toute façon ? Cela dépend de l'angle auquel nous mesurons le spin. Vous pouvez considérer le spin d'une particule comme une flèche pointant dans une certaine direction. Tant que le détecteur avec lequel on mesure le spin est dans la même direction que le spin, il n'y a en effet aucune différence mesurable entre les deux modèles explicatifs. Ils prédisent tous les deux que le spin est mutuellement opposé dans 100 % des cas et c'est ce que tous les résultats de mesure indiquent.
Mais Bell suggère de construire un détecteur pour chacune des deux particules de la paire qui peut mesurer le spin dans trois directions possibles, comme illustré ci-dessous. Vous mesurez ensuite une composante du spin à chaque fois. Aussi les composantes du spin ne peuvent prendre que les valeurs +1/2 et -1/2. Chaque fois que les deux détecteurs mesurent le spin dans la même direction, les valeurs de spin doivent être opposées. Mais lorsque nous mesurons différentes composantes de spin, par exemple selon la position 1 dans le détecteur A et la position 3 dans le détecteur B, les valeurs ne doivent pas nécessairement être opposées.
Dès que nous utilisons une position de détecteur différente entre A et B, les composantes de spin mesurées de A et B peuvent ainsi donner des valeurs à la fois égales et opposées. Et c'est là qu'intervient la brillante trouvaille de Bell :combien de fois nous nous attendons à des lectures égales et combien de fois opposées diffèrent selon que la physique quantique est en vigueur ou la théorie des variables cachées d'Einstein. On peut calculer que dans la configuration avec les trois positions de détecteur représentées, la physique quantique attend 50% de valeurs égales et 50% de valeurs opposées, tandis que dans la théorie d'Einstein, vous vous attendez à une valeur de spin opposée dans au moins 55% des cas.
La figure ci-dessous généralise cela. Il montre la différence d'attente entre les deux théories pour tous les angles possibles entre les détecteurs de A et B, où « classique » représente la théorie des variables cachées d'Einstein. Une corrélation de -1 correspond à des valeurs de spin toujours opposées, +1 à des valeurs de spin toujours identiques et 0 à 50% de valeurs égales, 50% opposées. Cela nous fournit une ligne directrice parfaite pour tester expérimentalement qui a raison.
Le travail de Bell a engendré sa propre terminologie.
Avec la recette de John Bell en main, nous nous précipitons au labo pour enfin savoir qui a raison. Puisque nous devons vérifier dans quel pourcentage de cas les résultats sont égaux ou opposés et que les différences attendues entre les deux théories ne sont pas si éloignées, nous devons mesurer un grand nombre de paires électron-positon intriquées.
Les premières expériences remontent aux années 1970 et 1980. Les résultats pointent invariablement vers une violation de l'inégalité de Bell, laissant la physique quantique gagnante. Les expériences du Français Alain Aspect en 1982 notamment sont connues comme une étape importante dans cette recherche. Mais à chaque nouvelle expérience, une faille subsistait qui n'excluait pas définitivement le droit d'Einstein. Il s'agit principalement de deux types de lacunes ou des échappatoires.
La première échappatoire concerne l'efficacité de la détection. Dans une expérience où la source envoie toute une série de paires de particules, seule une partie d'entre elles sera détectée efficacement en raison de limitations techniques. Le reste est perdu pour l'expérience. Vous supposez alors tacitement que la fraction de paires de particules détectées est représentative. Mais peut-être que l'inégalité de Bell n'aurait pas été violée si nous avions pu mesurer toutes les paires de particules.
Le deuxième type d'échappatoire se concentre sur l'aspect local. La question est de savoir si les mesures sur les deux particules sont vraiment indépendantes, dans le sens où aucune communication ne doit être possible entre les deux détecteurs ou entre un détecteur et la source sur la position choisie du détecteur. Pour cela, il est nécessaire que la position du détecteur ne soit réglée qu'après que la paire de particules ait quitté la source. Cela peut être fait en faisant en sorte qu'un générateur aléatoire détermine au tout dernier moment dans quelle direction on effectue la mesure simultanée sur chacune des deux particules.
Au fil des ans, ils avaient réussi à combler chacune des échappatoires d'une expérience, entraînant à chaque fois une violation de l'inégalité de Bell, mais la cerise sur le gâteau, une expérience dans laquelle les deux échappatoires sont fermées en même temps, n'était pas encore réussi.
En 2015, trois groupes de chercheurs presque simultanément, mais indépendamment, ont affirmé avoir effectué un test de Bell sans échappatoire. L'un de ces groupes, actif à la TU Delft, a réussi à mesurer environ 250 paires d'électrons, avec des détecteurs dans des laboratoires distants d'au moins 1280 mètres. En attendant, il ne sera pas surprenant que la physique quantique ait déjà dépassé la théorie des variables cachées.
Deux autres succès ont suivi cette année. En mai, il y a eu une autre confirmation de la physique quantique basée sur ce que vous pourriez appeler le "crowdsourcing quantique". Cent mille personnes à travers le monde ont contribué en jouant à un jeu vidéo. Ils ont inconsciemment déterminé avec leur jeu quelle position de détecteur était utilisée pour quelle particule. Il en est résulté le plus grand arbitraire possible dans le choix des deux positions des détecteurs, ce qui une fois de plus fermait fermement une porte dérobée.
Enfin, un groupe de recherche du MIT américain a annoncé en août faire le choix de mesures dépendantes de la lumière des étoiles émise il y a plusieurs milliards d'années, bien avant la formation du système solaire.
L'impressionnante série de victoires de la physique quantique laisse peu de place pour remettre en question l'existence d'actions fantomatiques à distance. Mais cela signifie-t-il aussi que la communication peut aller plus vite que la lumière ? Ou que nous pouvons voyager dans le passé ? Ce bateau éloignera tous les physiciens. Vous ne pouvez déterminer qu'après coup, lorsque les expérimentateurs des détecteurs A et B comparent leurs résultats de mesure, que l'effet d'intrication quantique s'est produit. Comment A et B parviennent-ils à ressentir l'influence instantanée de la mesure de l'autre, nous ne le savons pas.
Ce qui est certain, c'est que la recherche sur les fantômes d'Einstein n'est pas seulement pertinente sur le plan conceptuel. L'intrication quantique joue un rôle crucial dans le développement des technologies quantiques telles que l'informatique quantique (calcul ultrarapide) et la cryptographie quantique (cryptage sécurisé).
Pendant ce temps, battre des records liés à l'intrication quantique est devenu un sport en soi. Une équipe chinoise a réalisé un enchevêtrement sur une distance de 1200 km, tandis qu'une autre équipe chinoise a réalisé un enchevêtrement entre 18 soi-disant qubits.
