Le monde quantique défie le bon sens à chaque tournant. Façonné à travers des centaines de milliers d’années par l’évolution biologique, notre cerveau humain moderne a du mal à comprendre les choses en dehors de notre contexte naturaliste familier. Il est facile de comprendre un prédateur chassant une proie à travers une plaine herbeuse ; comprendre la plupart de tout ce qui se passe à des échelles subatomiques peut nécessiter des années d’érudition intense et des tas de mathématiques noueuses. Il n’est donc pas surprenant que chaque année des physiciens livrent de nouvelles idées et découvertes époustouflantes issues des fondements profonds de la réalité, bien au-delà des frontières de notre perception. Ici, Scientifique Américain met en lumière certains de nos favoris de 2022.
L’univers est un peu irréel
Cette année Prix Nobel de physique est allé à des chercheurs qui ont passé des décennies prouver que l’univers n’est pas localement réel– un exploit qui, pour citer l’humoriste Douglas Adams, “a mis beaucoup de gens très en colère et a été largement considéré comme une mauvaise décision”. “Local” signifie ici que tout objet – une pomme, par exemple – ne peut être influencé que par son environnement immédiat, et non par des événements de l’autre côté de l’univers. “Réel” signifie que chaque objet a des propriétés définies, quelle que soit la façon dont il est observé – aucun strabisme ne fera passer une pomme du rouge au vert. Sauf que des expérimentations prudentes et répétées avec des particules intriquées ont montré de manière concluante que de telles restrictions apparemment raisonnables ne s’appliquent pas toujours au domaine quantique, le niveau de réalité le plus fondamental que nous puissions mesurer. Si vous n’êtes pas certain de ce que signifie exactement la disparition du réalisme local pour la vie, l’univers et, eh bien, toutne t’inquiète pas : tu n’es pas seul—les physiciens sont confus aussi.
Les lasers créent des cristaux de temps et des portails vers des dimensions supérieures
Bien qu’ils ressemblent à des éléments de l’intrigue de un film de science-fiction classique cultedeux articles indépendants publiés plus tôt cette année décrivent des moyens pas du tout fictifs d’exploiter la lumière à la frontière quantique. Dans une étude, les chercheurs ont rapporté la toute première construction de cristaux de temps à base de lasersystèmes quantiques qui présentent des structures périodiques cristallines non pas dans l’espace mais dans le temps. Dans l’autre, une équipe a expliqué comment des schémas précis d’impulsions laser incitaient des chaînes d’ions à se comporter comme une phase inédite de la matière occupant deux dimensions temporelles. La première étude pourrait conduire à des micropuces robustes et bon marché pour fabriquer des cristaux de temps en dehors des laboratoires. Ce dernier propose une méthode pour améliorer les performances des ordinateurs quantiques. Pour la plupart d’entre nous, cependant, ces études peuvent être très utiles pour avoir l’air intelligent lors de cocktails.
La télépathie quantique conquiert un jeu imbattable
Le jeu du carré magique Mermin-Peres (MPMS) est le genre de compétition que l’on ne peut gagner qu’en ne jouant pas. Ce parent lugubre du Sudoku implique que deux participants ajoutent à tour de rôle la valeur +1 ou -1 aux cellules d’une grille trois par trois pour remplir en collaboration une condition de victoire. Bien que les joueurs doivent coordonner leurs actions pour réussir, ils ne sont pas autorisés à communiquer. Et même si chacun devine correctement le coup de l’autre, la paire ne peut toujours gagner que huit des neuf tours du jeu, à moins qu’ils ne jouent une version quantique. Si des qubits (qui peuvent échanger des valeurs entre +1 et -1) sont utilisés pour remplir chaque cellule, deux joueurs peuvent, en théorie, réussir une course parfaite en évitant les mouvements conflictuels pendant les neuf tours. En pratique, cependant, les chances de deviner correctement chaque mouvement sont extrêmement minces. Pourtant, en exploitant soigneusement l’enchevêtrement entre les qubits, à chaque tour, les joueurs peuvent deviner les actions de l’autre sans réellement communiquer – une technique vexante connue sous le nom de pseudotélépathie quantique. En juillet, des chercheurs ont publié un article faisant état de leur démonstration réussie dans le monde réel de cette stratégie pour obtenir des performances sans faille. Ce n’est pas non plus que de l’amusement et des jeux : un tel travail sonde les limites fondamentales de la façon dont l’information peut être partagée entre les particules intriquées.
Tester l’effet Unruh intestable
Selon les principes de la théorie quantique des champs – une union difficile entre la théorie de la relativité restreinte d’Einstein et la mécanique quantique utilisée pour modéliser le comportement des particules subatomiques – l’espace vide n’est pas réellement vide. Au lieu de cela, ce que nous percevons comme le vide est rempli de champs énergétiques qui se chevauchent. Les fluctuations de ces champs peuvent produire des photons, des électrons et d’autres particules essentiellement à partir de « rien ». Parmi les divers phénomènes bizarres qui devraient découler de circonstances aussi curieuses, le plus étrange pourrait être l’effet Unruhun linceul chaud de particules fantomatiques invoquées par tout objet accélérant dans le vide. Nommé en l’honneur du théoricien Bill Unruh, qui l’a décrit en 1976, cet effet est si subtil qu’il n’a pas encore été observé. Cela pourrait bientôt changer si une expérience sur table proposée en avril est effectuée avec succès. L’expérience consiste à accélérer un seul électron à travers un champ électromagnétique intense et soigneusement configuré. Cette configuration devrait abaisser le seuil d’accélération pour que l’effet Unruh se manifeste visiblement, augmentant les chances d’apercevoir son insaisissable lueur quantique, selon les auteurs.
Un nouvel angle sur le spin quantique
Toutes les bizarreries contre-intuitives de la physique quantique ne sont pas liées à des causes naturelles. Certains sont sans doute plus auto-infligés, résultant des choix discutables des chercheurs dans la façon dont ils nomment et décrivent certains phénomènes. Considérons le cas du « spin » quantique, l’étiquette apposée sur le moment cinétique intrinsèque aux particules élémentaires. Le terme prête à confusion car de telles particules ne peux pas tourner physiquement – s’ils étaient simplement des gyroscopes subatomiques tourbillonnants, leur rotation serait incroyablement rapide, bien supérieure à la vitesse de la lumière. Mais le spin quantique est crucial pour rendre compte du comportement observé des électrons et d’autres particules : bien qu’ils ne tournent peut-être pas physiquement, les particules font clairement quelque chose. Ce qu’est exactement ce “quelque chose” peut être capturé avec la plus grande précision par des équations mathématiques, mais sa base physique causale reste obscure. Une hypothèse relativement nouvelle (et très controversée) fait appel à la théorie quantique des champs pour une explication. Dans cette proposition, les particules (qui résultent des fluctuations des champs quantiques) tirent leur spin (moment angulaire) de leurs champs d’origine, un peu comme une turbine entraînée par le vent. “Si c’est là que réside le moment cinétique”, Scientifique Américainarticle sur l’idée noté, « le problème d’un électron tournant plus vite que la vitesse de la lumière disparaît ; la région du champ portant le spin d’un électron est beaucoup plus grande que l’électron soi-disant ponctuel lui-même.