Lorsque deux particules sont intriquées, l’état de l’une est lié à l’état de l’autre.
L’intrication quantique est un phénomène dans lequel les états quantiques de deux objets ou plus deviennent corrélés, ce qui signifie que l’état d’un objet peut affecter l’état des autres même si les objets sont séparés par de grandes distances. Cela se produit parce que, selon la théorie quantique, les particules peuvent exister dans plusieurs états en même temps (un concept connu sous le nom de superposition) et peuvent être inextricablement liées ou « enchevêtrées », même si elles sont physiquement séparées.
Trois chercheurs ont reçu le prix Prix Nobel de physique 2022 pour leur travail révolutionnaire dans la compréhension de l’intrication quantique, l’un des phénomènes les plus déroutants de la nature.
L’intrication quantique, dans les termes les plus simples, 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 étrange connexion entre les deux particules est instantanée, enfreignant apparemment une loi fondamentale de l’univers. C’est pourquoi Albert Einstein a appelé le phénomène “action effrayante à distance”.
Ayant passé la plus grande partie de deux décennies à mener des expériences ancrées dans la mécanique quantiqueJ’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.
Selon la mécanique quantique, les particules sont simultanément dans deux états ou plus jusqu’à ce qu’elles soient observées – un effet clairement capturé par la célèbre expérience de pensée de Schrödinger d’un chat qui est à la fois mort et vivant simultanément.
Existant dans plusieurs états à la fois
Pour vraiment comprendre le caractère effrayant de l’intrication quantique, il est important de comprendre d’abord 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 lui-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 intriquées
Le l’effroi 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 publié un article qui décrit une expérience de pensée conçue pour 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 penséeattribuée à David Bohm, considère la désintégration d’une particule appelée le 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 y avait une propriété inconnue – appelée variables cachées – qui a déterminé 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.
Cloche produite une équation maintenant connue sous le nom d’inégalité de Bell qui est toujours correcte – et uniquement correcte – pour les théories des variables cachées, et pas toujours pour la mécanique quantique. Ainsi, si l’équation de Bell s’est avérée 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 de Alain Aspectétaient 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 et de nombreux suivre expériences 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.
Il est important de noter qu’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 peut pas utiliser le phénomène pour transmettre des informations Plus rapide que la vitesse de la lumière.
Aujourd’hui, les physiciens poursuivre la recherche sur l’intrication quantique et étudier le potentiel Applications pratiques. Bien que la mécanique quantique puisse prédire la probabilité d’une mesure avec une incroyable
” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>accuracy, many researchers remain skeptical that it provides a complete description of reality. One thing is certain, though. Much remains to be said about the mysterious world of quantum mechanics.
Written by Andreas Muller, Associate Professor of Physics, University of South Florida.
This article was first published in The Conversation.