Qu’est-ce que l’intrication quantique ? Un physicien explique la science de « l’action étrange à distance » d’Einstein

par Andreas Muller, Associate Professor of Physics, University of South Florida, États-Unis

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 la distance qui les sépare ou ce qui se trouve entre elles. Ces particules peuvent être, par exemple, des électrons ou des photons, et un aspect peut être l’état dans lequel elles se trouvent, par exemple si elles « tournent » dans une direction ou une autre.

L’aspect étrange de l’intrication quantique est que lorsque l’on mesure quelque chose sur une particule d’une paire intriquée, on sait immédiatement quelque chose sur l’autre particule, même si des millions d’années-lumière les séparent. Cette étrange connexion entre les deux particules est instantanée et semble enfreindre une loi fondamentale de l’univers. Albert Einstein a baptisé ce phénomène « action étrange à distance ».

Ayant passé la majeure partie de deux décennies à mener des expériences basées sur la mécanique quantique, j’ai fini par accepter son étrangeté. Grâce à des instruments toujours plus précis et fiables et aux travaux des lauréats du prix Nobel 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.

Pourtant, 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 de bonnes raisons : qui oserait contredire le grand Einstein, qui en doutait lui-même ? Il a fallu le développement de nouvelles technologies expérimentales et l’audace des chercheurs pour que ce mystère soit enfin levé.

Selon la mécanique quantique, les particules se trouvent simultanément dans deux ou plusieurs états jusqu’à ce qu’elles soient observées.
Cet effet est illustré de manière frappante par la célèbre expérience de pensée de Schrödinger, où un chat est simultanément mort et vivant.

© Citizen4Science

Exister dans plusieurs états à la fois

Pour vraiment comprendre le caractère étrange 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, c’est comme si la particule choisissait l’un des états de la superposition.

Par exemple, de nombreuses particules ont un attribut appelé spin, qui est mesuré comme étant « haut » ou « bas » pour une orientation donnée de l’analyseur. Mais jusqu’à ce que l’on mesure le spin d’une particule, celle-ci existe simultanément dans une superposition de haut spin haut et de bas spin.

Une probabilité est attachée à chaque état, et il est possible de prédire le résultat moyen à partir de nombreuses mesures. La probabilité qu’une mesure unique soit positive ou négative dépend de ces probabilités, mais ne peut elle-même être prédite.

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 intriquées

Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen ont signalé un problème apparent avec l’intrication quantique en 1935, ce qui a incité Einstein à décrire l’intrication quantique comme une « action étrange à distance ». Sophie Dela/Wikimedia Common

Le caractère étrange de l’intrication quantique découle 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, il faut essentiellement casser un système en deux, où la somme des parties est connue. Par exemple, on peut diviser une particule dont le spin est nul en deux particules qui auront nécessairement des spins opposés de sorte que leur somme soit nulle.

En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen ont publié un article décrivant une expérience de pensée destinée à illustrer une absurdité apparente de l’intrication quantique qui remettait en question 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 (également appelé « pion », ndlr). Lorsque cette particule se désintègre, elle produit un électron et un positron qui ont un spin opposé et s’éloignent l’un de l’autre. Par conséquent, si le spin de l’électron est mesuré comme étant vers le haut, le spin mesuré du positron ne peut être que vers le bas, et vice versa. Cela est vrai même si les particules sont séparées par des milliards de kilomètres.

Représentation géométrique d’un état de spin 1/2 par une sphère de Riemann. Source : Wikipédia

Cela ne poserait aucun problème si la mesure du spin de l’électron était toujours positive et si le spin mesuré du positron était toujours négatif. Mais en raison de la mécanique quantique, le spin de chaque particule est à la fois en partie vers le haut et en partie vers le bas jusqu’à ce qu’il soit mesuré. Ce n’est qu’au moment de la mesure que l’état quantique du spin « s’effondre » en haut ou en bas – faisant instantanément tomber l’autre particule dans le spin opposé. Cela semble suggérer que les particules communiquent entre elles par un moyen qui se déplace plus vite que la vitesse de la lumière. Mais selon les lois de la physique, rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière. L’état mesuré d’une particule ne peut donc pas déterminer instantanément l’état d’une autre particule à l’autre bout de l’univers ?

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

John Bell, physicien irlandais, a trouvé le moyen de vérifier si l’intrication quantique reposait sur des variables cachées. Source : CERN

Réfuter une théorie

Il a fallu attendre les années 1960 pour trouver des indices de réponse. John Bell, un brillant physicien irlandais qui n’a pas vécu assez longtemps pour recevoir le prix Nobel, a conçu un système pour vérifier si la notion de variables cachées avait un sens.

Bell a élaboré une équation connue aujourd’hui sous le nom d’inégalités de Bell, qui est toujours correcte – et uniquement correcte – pour les théories à variables cachées, et pas toujours pour la mécanique quantique. Ainsi, s’il s’avère que l’équation de Bell n’est pas satisfaite dans une expérience du monde réel, les théories à variables cachées locales peuvent être écartées comme explication de l’intrication quantique.

Les expériences des 2022 lauréats du prix Nobel, en particulier celles d’Alain Aspect, ont été les premiers tests des inégalités de Bell. Les expériences ont utilisé des photons intriqués, plutôt que des paires d’un électron et d’un positron, comme dans de nombreuses expériences de pensée. Les résultats ont exclu de manière concluante l’existence de variables cachées, un attribut mystérieux qui prédéterminerait les états des particules intriquées. Collectivement, ces expériences et de nombreuses autres à la suite ont confirmé la validité de la mécanique quantique. Les objets peuvent être corrélés sur de grandes distances d’une manière que la physique antérieure à la mécanique quantique ne peut expliquer.

Il est important de noter qu’il n’existe pas non plus de conflit avec la relativité restreinte, qui interdit les communications plus rapides que la lumière. Le fait que les mesures sur de grandes distances soient corrélées n’implique pas que des informations soient transmises entre les particules. Deux parties très éloignées l’une de l’autre qui effectuent des mesures sur des particules intriquées ne peuvent pas utiliser ce phénomène pour transmettre des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Aujourd’hui, les physiciens poursuivent leurs recherches sur l’intrication quantique et étudient les applications pratiques potentielles. Bien que la mécanique quantique puisse prédire la probabilité d’une mesure avec une incroyable précision, de nombreux chercheurs restent sceptiques quant à sa capacité à fournir une description complète de la réalité. Une chose est néanmoins certaine. Il reste beaucoup à découvrir sur le monde mystérieux de la mécanique quantique.

Paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction.
NB : la traduction est soumise aux droits d’auteur.

Image d’en-tête : Alain Aspect à l’Université Paris-Saclay, le 4 octobre 2022

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