Einstein et notre intuition doivent céder :le phénomène bizarre de l'intrication quantique est vraiment inexplicable.
Toutes les révolutions ne commencent pas avec beaucoup de fanfare. En 1964, l'une a germé silencieusement, lorsque le physicien John Bell a mis une équation sur papier. Une inégalité mathématique, en fait. En principe, cela a permis de régler le différend sur une question philosophique fondamentale en mécanique quantique.
Les pionniers de la science quantique étaient confus depuis des décennies :les particules à grande distance peuvent-elles encore être connectées, de sorte que les mesures sur une particule influencent l'autre ? Selon la physique classique, une telle chose est hors de question, mais dans la théorie quantique, c'est monnaie courante. Bell avait trouvé un moyen de déterminer si le monde est vraiment si bizarre.
Son équation simple a révolutionné notre approche de la théorie quantique. La technologie quantique d'aujourd'hui est largement due à Bell. Pourtant, il s'est avéré difficile de prouver son théorème de manière concluante. En 2015, cette quête a finalement été accomplie. Cinquante ans après que Bell ait mis sur papier son équation révolutionnaire, une nouvelle ère prometteuse d'applications quantiques se profile.
Pour comprendre l'inégalité de Bell, il faut remonter aux bases de la mécanique quantique. Ils décrivent le comportement de la lumière et de la matière à la plus petite échelle. Les atomes, les électrons, les photons et les autres particules subatomiques se comportent différemment de tout ce que nous connaissons dans notre vie macroscopique. La principale différence est qu'ils sont en superposition – dans des états différents en même temps – tant que nous ne les percevons pas. Telle est l'araignée ou spin tournant d'un électron dans un champ magnétique, par exemple, simultanément vers le haut et vers le bas. La direction finale n'est déterminée que lorsque nous regardons.
Cela rappelle le tirage au sort, mais les apparences sont trompeuses. Si vous connaissez la masse de cette pièce, et que vous savez avec quelle force elle a été lancée et avec quelle résistance à l'air elle entre en collision, vous pouvez calculer exactement si le résultat sera croisé ou pile. Ce n'est pas le cas avec un électron. Même si vous connaissez l'électron et son spin jusque dans les moindres détails, même dans ce cas, le sens de rotation est impossible à prévoir. Bien que nous puissions calculer la probabilité de chaque direction. Cette incertitude disparaît dès que nous commençons à mesurer. D'une manière ou d'une autre, le résultat est décidé et toutes les autres possibilités tombent. Le flou, flou le monde quantique devient soudainement pointu :l'araignée devient soit vers le haut soit vers le bas.
Avec l'émergence de la théorie quantique au début du 20e siècle, certains des fondateurs, dont Albert Einstein et Erwin Schrödinger, ont trouvé de plus en plus difficile avec ce flou état quantique. Peut-être que cette indétermination n'est pas réelle, ont-ils suggéré, et que la théorie quantique est incomplète. Avec une théorie plus large nous fournissant les pièces manquantes du puzzle, nous pourrions utiliser l'araignée devrait être capable de prédire un électron aussi parfaitement qu'une croix ou une pièce de monnaie, ont-ils déclaré.
Ce flou joue également entre les particules. Deux ou plusieurs particules peuvent être connectées de manière à ce que leur valeur collective soit connue avec précision, mais leurs valeurs individuelles restent complètement incertaines jusqu'à ce que vous les mesuriez. Vous pouvez le comparer à un ensemble de dés qui roulent sept emplacements ensemble à chaque lancer - mais leur nombre séparé d'emplacements est aléatoire. Enchevêtrement, c'est ainsi que Schrödinger appelait cette situation apparemment absurde. Pour étayer sa critique, Schrödinger a conçu sa célèbre expérience de pensée avec le chat dans la boîte. Jusqu'à ce qu'on ouvre la boîte, c'est à la fois vivant et mort. Une telle chose est complètement absurde, raisonnait Schrödinger, tout comme l'indétermination des atomes.
Atomes, électrons, photons :ils se comportent différemment de tout ce que nous connaissons
Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen (collectivement connus sous le nom d'EPR) sont allés plus loin. Ils ont analysé deux électrons intriqués éloignés l'un de l'autre. Imaginez l'araignée de ces particules est intriquée :avec la même direction de mesure, elles ont toujours des valeurs opposées. Si l'araignée d'un électron s'avère être vers le haut, alors celui de l'autre électron sera invariablement vers le bas. Cela semble impossible :les électrons devraient communiquer entre eux plus rapidement que la lumière avant leur tour individuel étant mesuré. Selon la théorie de la relativité, ce n'est tout simplement pas possible. Comment la deuxième particule sait-elle que la première a augmenté ? Einstein a judicieusement mis en mots cette étrange synchronisation :c'est "une action fantomatique à distance".
Dans leur analyse désormais classique de 1935, les trois scientifiques sont partis de deux prémisses logiques. Premièrement, si nous pouvons prédire avec certitude un résultat de mesure, alors ce résultat doit être lié à une propriété de la nature. Einstein appelait ces facteurs des éléments de la réalité. Par exemple, si nous savons qu'un électron a un spin vers le haut on peut alors prédire avec certitude qu'il sera toujours propulsé vers le haut dans un champ magnétique. L'araignée est donc un élément de la réalité, car elle est connue et fixée. Deuxièmement, un événement ne peut pas affecter instantanément un autre événement à grande distance, car l'influence ne peut pas voyager plus vite que la lumière.
Pour illustrer cela, nous ajoutons deux personnages qui aident souvent à illustrer les explications scientifiques :Jan et Piet. Nos deux figurants sont très éloignés l'un de l'autre, chacun tenant un électron d'une paire intriquée. Jan mesure l'araignée dans la direction z † Parce que les électrons sont intriqués, il sait immédiatement quel résultat Piet verra en mesurant dans cette direction. Selon EPR, le z composant de l'araignée l'électron de van Piet un élément de la réalité. Si Jan l'araignée mesurerait dans la direction x , il sait aussi exactement ce que Piet verra dans la direction x † Mais parce que Jan et Piet sont loin l'un de l'autre, le choix de Jan pour l'une ou l'autre direction x ou vers z n'ont aucune influence sur ce qui arrive à Piet.
Pour expliquer la corrélation parfaitement négative prescrite par la théorie quantique, le spin -la valeur de l'électron de Piet est prévisible dans les deux sens x si direction z † Cela semble contredire la théorie quantique. La relation d'incertitude de Heisenberg stipule que le spin mais peut avoir une valeur définie dans une direction à la fois; dans toutes les autres directions, la spin doit flou être.
Ce paradoxe a conduit EPR à conclure que la théorie quantique est imparfaite. Ils croyaient en une théorie plus large, qui décrit des propriétés supplémentaires des électrons qui influencent leur comportement lorsqu'ils sont mesurés ensemble. Ces propriétés nous sont cachées, mais si nous pouvions les observer, nous pourrions prédire exactement ce qui arrive aux électrons. En d'autres termes, les particules quantiques ne se comportent étrangement que parce que nous ne parvenons pas à déchiffrer le code. De plus, ces soi-disant variables cachées ne peuvent pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière.
Après l'article de l'EPR, il y avait peu d'enthousiasme pour les principes fondamentaux de la mécanique quantique pendant des décennies. La question des variables cachées était considérée comme une question philosophique sans valeur ajoutée pratique; les prédictions avec et sans variables cachées semblaient identiques. Mais cela a changé lorsque John Bell a montré en 1964 que les deux prédisaient des résultats différents dans certaines circonstances. Cette découverte signifiait qu'il devrait être possible de tester expérimentalement si les variables cachées locales existent réellement.
Les particules quantiques se comportent étrangement uniquement parce que nous ne parvenons pas à déchiffrer leur code, a expliqué Einstein. Ce n'est pas vrai
Bell a fait sa propre analyse de l'expérience de pensée d'EPR, mais il lui a donné une tournure. Il a laissé Jan et Piet utiliser leur électron spin mesurer dans toutes les directions possibles. Dans l'expérience originale, ils devaient tous les deux utiliser la même direction de mesure, ce qui aboutissait à une corrélation concluante :si Jan mesurait vers le haut, alors Piet mesurait invariablement vers le bas. Mais s'ils obtiennent l'araignée mesurer chacun sous un angle différent, alors il ne doit pas nécessairement être opposé.
De telles mesures révèlent des différences entre la théorie quantique et les variables cachées. Bell a prouvé que la corrélation entre Jan et Piets spin les valeurs mesurées sous différents angles sont plus grandes selon la théorie quantique que selon toute théorie avec des variables locales cachées. La différence entre les deux s'appelle l'inégalité de Bell. Cela se produit parce que les variables cachées ne peuvent pas s'influencer plus rapidement que la vitesse de la lumière, alors qu'un électron spin selon la mécanique quantique dans un intriqué, flou l'état peut exister quelle que soit la distance entre les électrons. Grâce à cet enchevêtrement, la théorie quantique prédit des corrélations jusqu'à 40 % plus fortes.
Le théorème de Bell a conduit à une révolution en science quantique. Il a exposé un conflit mathématique entre la vision d'Einstein et la théorie quantique, et il a fourni une méthode pour tester les deux théories. Le théorème est une inégalité mathématique :il limite la quantité de corrélation possible en fonction des variables cachées locales. Si une expérience produit des données qui se situent en dehors de cette plage spécifique, violant ainsi l'inégalité de Bell, elle réfute la théorie des variables cachées locales.
Peu de temps après la découverte révolutionnaire de Bell John Clauser, Michael Horne et feu Abner Shimony et Richard Hold (collectivement connus sous le nom de CHSH) ont également décrit des inégalités plus faciles à transformer en expériences. Les premiers tests ont eu lieu en 1960, et depuis lors, les chercheurs se sont rapprochés de plus en plus de la configuration de test idéale de Bell. Ils ont trouvé des corrélations qui violent l'inégalité de Bell, plaidant ainsi en faveur de la mécanique quantique. Mais jusqu'en 2015, ils n'y parvenaient qu'avec une paire de échappatoires – des failles dans le filet. Ces failles signifient que nous ne pourrions jamais exclure complètement les variables cachées locales de toute façon.
Dans presque toutes ces expériences , les scientifiques ont généré des photons intriqués, après quoi ils les ont envoyés à deux stations de mesure différentes (qui ont remplacé Jan et Piet). Là, la polarisation du photon respectif dans l'une des deux directions a été mesurée. (La polarisation est liée à spin :c'est la direction dans laquelle vibre le champ électrique du photon.) Sur la base de ces mesures, les chercheurs ont pu calculer la corrélation moyenne entre les résultats de mesure. Ils l'ont entré dans l'équation de Bell, à la recherche d'une éventuelle violation de l'inégalité.
Les premières expériences ont fonctionné avec des directions de mesure fixes, mais de cette manière, les variables cachées ont amplement le temps d'influencer le résultat. Les signaux n'ont pas besoin de voyager plus vite que la lumière pour dire à Piet quelle direction de mesure Jan utilise. Dans cette configuration, une théorie des variables cachées peut donc produire les mêmes corrélations que la théorie quantique. C'est la première échappatoire :localité.
En 1982, le physicien français Alain Aspect et ses collègues ont réussi à envoyer des photons de part et d'autre d'un grand espace et à y mesurer leur polarisation. Pendant que les photons intriqués étaient en route, l'équipement a changé plusieurs fois l'angle de mesure. À la fin des années 1990, Anton Zeilinger (maintenant à l'Université de Vienne) a encore affiné cette méthode afin que la direction de mesure devienne complètement arbitraire. De plus, elle n'a été déterminée que juste avant la mesure de la polarisation. Par exemple, il ne pourrait y avoir d'influence que si l'information voyageait plus vite que la lumière. La grille arrière des locaux était donc solidement verrouillée.
Mais les photons ont un inconvénient majeur :ils sont difficiles à travailler. Très souvent, les photons n'ont tout simplement pas été créés ou ont été perdus quelque part en cours de route. Les chercheurs ont nécessairement supposé que les essais qui ont donné un résultat étaient un reflet fiable de l'ensemble de l'expérience. Mais qui sait, quelque chose d'autre est arrivé aux paires de photons non détectées, ce qui n'a pas violé l'inégalité de Bell. C'est immédiatement la deuxième échappatoire :détection.
Depuis le début du siècle nous pouvons également fermer cette porte dérobée. Au lieu de photons, les chercheurs travaillent désormais avec de la matière. Les ions piégés, les atomes, les réseaux supraconducteurs et les noyaux dans les atomes de diamant sont facilement enchevêtrés et peuvent être mesurés avec précision. Seuls les chercheurs ont dû laisser cette autre échappatoire de l'emplacement ouverte à nouveau, car les particules étaient toujours proches les unes des autres.
Comme ils étaient intelligents, les Les tests de Bell laissaient donc en principe toujours place à l'influence d'une variable cachée locale. Toutes les échappatoires les garder fermés en même temps est devenu l'un des plus grands défis de la science quantique. Quatre-vingts ans après l'article de l'EPR et 51 ans après la comparaison de Bell, c'est finalement arrivé. En 2015, le premier test Bell sans failles était un fait. En l'espace de quelques mois, quatre groupes de recherche différents ont trouvé des résultats qui violent l'inégalité de Bell — avec tous échappatoires Fermé. Ils sont la preuve irréfutable qu'Einstein avait tort.
Le premier test d'étanchéité Bell a été réalisée à l'Université de technologie de Delft. L'un d'entre nous (Hanson) a utilisé un montage proche du concept original de l'EPR (voir BD). Notre équipe de recherche a empêtré le spin de deux électrons dans un défaut des cristaux de diamant, une fossette où manque un atome de carbone. Les diamants avec les électrons intriqués se trouvaient dans deux laboratoires différents sur le campus.
Le résultat a été immédiatement enregistré sur un disque dur local avant que toute information de l'autre côté ne puisse passer à la vitesse de la lumière. Afin d'exclure toute forme de communication, nous avons également fait déterminer la direction de mesure par un générateur aléatoire rapide. La porte arrière des locaux était solidement verrouillée.
Pour répondre à ces contraintes de temps strictes, il était crucial que nous placions les deux électrons à au moins un kilomètre l'un de l'autre. C'est environ deux ordres de grandeur de plus que le record mondial alors en vigueur pour la téléportation de matière intriquée. Nous avons réussi grâce à l'échange d'enchevêtrements , échangeant l'enchevêtrement.
Nous avons d'abord intriqué les électrons chacun avec un photon. Nous avons envoyé ces photons à un miroir semi-transparent à mi-chemin entre les deux laboratoires, avec des détecteurs de chaque côté. Si nous détections un photon des deux côtés du miroir, cela signifiait le spin des électrons était également intriqué. En d'autres termes, l'intrication entre l'électron et le photon est transférée à leurs deux électrons.
Ce processus peut facilement échouer :beaucoup de photons s'envolent entre le diamant et le miroir en chemin. Mais nous n'avons commencé le test de Bell qu'après avoir observé les deux photons. Par exemple, nous nous sommes occupés de la détection échappatoire . † La qualité de l'expérience ne s'est pas détériorée, mais elle a ralenti son fonctionnement. Nous n'avons pu effectuer que quelques tests Bell en une heure.
En juin 2015, nous avons laissé la configuration fonctionner sans interruption pendant quelques semaines. En conséquence, nous avons trouvé une violation de l'inégalité de Bell de 20 %. Cela correspondait parfaitement aux prédictions de la théorie quantique. La probabilité d'un tel résultat avec des variables cachées locales - même si l'équipement utilisait de manière malveillante toutes les informations disponibles contre nous - était de 0,039. En décembre 2015, une deuxième série d'expériences a donné des résultats similaires.
Cette même année, trois autres groupes de recherche ont effectué des tests d'étanchéité Bell. En septembre, le groupe de recherche de Zeilinger à Vienne et un groupe de l'institut scientifique américain NIST (National Institute of Standards and Technologies) ont utilisé des photons intriqués. En décembre, Harald Weinfurter de l'Université Ludwig Maximilian (Munich) a travaillé dans une configuration similaire à Hanson, avec des atomes de rubidium distants de 400 mètres. Les résultats sont apparus en 2017.
Dans la recherche au NIST, dirigée par l'un d'entre nous (Shalm), nous avons intriqué la direction de polarisation de deux photons en envoyant des faisceaux laser à travers un cristal. Zeilinger a également utilisé cette méthode. Environ une fois sur un milliard, un photon laser subit une transformation, le divisant en deux photons filles avec un état de polarisation intriqué. Avec des lasers puissants, nous avons pu créer des dizaines de milliers de ces paires de photons intriqués chaque seconde. Ces photons ont été envoyés à des stations de mesure distantes de 189 mètres dans l'expérience NIST et de 60 mètres dans le banc d'essai de Vienne. La direction de mesure n'a été déterminée que pendant le trajet des photons vers la station.
Cela a évité le piège de la localité. Le plus gros défi était la détection des échappatoires † Pour y faire face, il a fallu continuer à observer plus des deux tiers des photons créés. La plupart des détecteurs de photons conventionnels ont un taux d'efficacité d'environ 60 %, nous avons donc développé un nouveau détecteur au NIST. Il est capable de capturer plus de 90 % des photons qui atteignent l'appareil. C'est ainsi que l'échappatoire a été fermée.
Un pirate qui peut prédire le prochain numéro d'un générateur aléatoire peut casser de nombreux systèmes financiers. Ceci est exclu avec l'arbitraire quantique
Notre configuration a réalisé plus de 100 000 mesures de polarisation par seconde. De cette façon, nous avons rapidement reçu des informations statistiquement pertinentes. Dans les deux expériences, les corrélations entre les paires de photons se sont avérées beaucoup plus fortes que prévu par les théories des variables cachées. La probabilité que les résultats de l'étude du NIST soient dus au hasard n'est que d'une sur un milliard; pour l'expérience de Vienne, la chance est encore moindre. Aujourd'hui, au NIST, nous utilisons une version améliorée de notre configuration de test qui nous permettra de violer l'inégalité de Bell en moins d'une minute, et devrait pouvoir le faire deux ordres de grandeur plus rapidement à l'avenir.
Les expériences ont définitivement réglé la question :Einstein avait tort. Les modèles avec des variables cachées ne peuvent pas nous aider avec une explication. Aussi contre-intuitif que cela puisse être, l'action fantomatique est la réalité.
Nous pouvons également profiter de cet enchevêtrement. À court terme, par exemple, nous pouvons générer des nombres aléatoires absolus. Les séquences aléatoires de nombres sont devenues indispensables pour la cryptographie et la sécurité. Si vous pouvez prédire le prochain numéro à partir d'un générateur aléatoire, vous pouvez pirater de nombreux systèmes financiers et de communication. Aujourd'hui, le chiffrement repose principalement sur des algorithmes mathématiques ou des processus physiques. Mais si vous connaissez la valeur initiale et la méthode d'un tel algorithme, le résultat peut souvent être parfaitement prédit, et pour rendre les systèmes inviolables basés sur des processus physiques, vous devez maîtriser la méthode de chiffrement sous-jacente jusque dans les moindres détails. Les deux types de systèmes ont été piratés suffisamment souvent pour se rendre compte qu'ils doivent être améliorés.
Maintenant c'est possible, grâce à la mécanique quantique et à l'arbitraire qui y règne. Nous pouvons convertir les corrélations dans un test de Bell infaillible en séquences de nombres vraiment aléatoires. Vous pourriez même remettre une partie de l'équipement entre les mains d'un pirate, et pourtant il ne pourrait jamais déchiffrer le code - car il n'y a pas de code. Début 2018, nous avons mis cela à l'épreuve au NIST. En dix minutes, nous avons pu générer une séquence de 1 024 bits exceptionnellement aléatoire (moins d'une chance sur un billion). Il faudrait à un générateur aléatoire conventionnel des centaines de milliers d'années pour produire une séquence tout aussi aléatoire. Nous travaillons actuellement sur une balise aléatoire , une aide au chiffrement que nous voulons rendre disponible gratuitement en ligne. Espérons que toute personne ayant besoin de codes de sécurité indéchiffrables pourra bientôt utiliser les chaînes aléatoires de chiffres que nous prévoyons de proposer de temps à autre.
Les techniques des nouveaux tests de Bell peuvent également permettre des réseaux de communication fondamentalement nouveaux. Cet Internet quantique, comme on l'appelle communément, peut gérer des tâches pour lesquelles les réseaux d'information classiques ne suffisent pas. Pensez à la communication sécurisée, à la synchronisation d'horloge, aux réseaux de capteurs quantiques et à l'accès à distance sécurisé aux ordinateurs dans le cloud. Une autre application que nous avons à l'esprit est la cryptographie indépendante de l'appareil :analogue à la balise aléatoire violer l'inégalité de Bell permettrait aux utilisateurs de garantir le secret d'une clé publique.
Le futur Internet quantique sera basé sur le même enchevêtrement avec des cristaux de diamant et des atomes piégés qui a été utilisé à TU Delft. Un consortium dirigé par l'université travaille actuellement sur une version rudimentaire avec cette configuration de test. Les membres espèrent créer le premier réseau quantique au monde à Delft, La Haye, Leiden et Amsterdam d'ici 2020.
Si nous regardons en arrière sur les quatre-vingts dernières années, nous voyons quel chemin incroyable la science quantique a emprunté. Lorsqu'elle est apparue, la théorie semblait aller à l'encontre de notre vision intuitive du monde. Maintenant, quatre expériences ont prouvé hors de tout doute que notre intuition est faussée :la réalité est vraiment fantomatique. Dans le même temps, les résultats annoncent une nouvelle ère quantique. Einstein et Bell n'auraient jamais pu prédire le bénéfice que nous pouvons tirer de ces remèdes de la nature. La révolution silencieuse lancée par Bell il y a cinquante ans bat son plein.
