L'étrangeté quantique prouvée dans une expérience sans aucune faille
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Il faudra vous y faire. Notre monde est un monde quantique. L’étrangeté de la mécanique quantique vient d’être prouvée par un test sans aucune faille.
Comprendre l’étrangeté de la mécanique quantique
C’est officiel, l’univers est étrange. Notre expérience au quotidien nous dit que des objets distants ne peuvent pas s’influencer et ne disparaissent pas parce qu’on cesse de les regarder. Même Albert Einstein était contre de telles idées, car elles se télescopent brutalement avec notre point de vue sur le monde. Mais il s’avère qu’on avait tort. La nature quantique de la réalité signifie, sur certains niveaux, que ces choses se produisent bel et bien. Une expérience révolutionnaire vient de clouer le cercueil de notre vision du principe de localité de l’univers. Cette expérience vient de résoudre une dispute qui fait rage dans la physique depuis près d’un siècle.
Des équipes de physiciens autour du monde avaient tenté de compléter cette expérience depuis plusieurs décennies. Mais un groupe mené par Ronald Hanson de la Delft University of Technology aux Pays-Bays vient de franchir la ligne d’arrivée. C’est une superbe expérience et on peut juste féliciter le groupe pour l’avoir réussi selon Anton Zeilinger, le responsable d’une équipe rivale à l’université de Vienne en Autriche. L’expérience a été parfaitement réalisée.
Pour comprendre l’exploit de Hanson et ses collègues, on doit revenir dans les années 1930 quand les physiciens ont été confrontés aux étranges prédictions de la science émergente de la mécanique quantique. La théorie suggérait que les particules pouvaient être intriquées (Entanglement). De ce fait, la mesure d’une des particules influençait l’autre de manière instantanée même si les particules étaient séparées par une grande distance. Einstein doutait de cette action à distance, car cela impliquait que les particules pouvaient communiquer plus rapidement que n’importe quel signal qui passerait à travers. De plus, la théorie suggérait que les propriétés d’une particule sont uniquement fixes quand elles sont mesurées, mais qu’auparavant, elles existaient dans de nombreuses probabilités.
Insensé selon Einstein qui avait sorti cette fameuse citation que Dieu ne joue pas aux dés avec l’univers. Einstein et d’autres étaient guidé par le principe de localité. Le principe de localité stipule que seuls les objets proches peuvent s’influencer et que l’univers est réel. Notre observation ne crée pas son existence en cristallisant de vagues probabilités. Einstein et les autres arguaient que la mécanique quantique était incomplète et que des variables cachées dans des profondeurs de la réalité pouvaient expliquer l’étrangeté de cette théorie. De l’autre camp, des physiciens tels que Niels Bohr insistait que nous devons juste accepter la réalité quantique puisqu’elle explique des problèmes que les théories classiques de la lumière et de l’énergie ne peuvent pas expliquer.
Les tests de la réalité quantique pour prouver l’inégalité de Bell
Il a fallu attendre 1960 que le camp de Bohr commence à gagner du terrain. Et on peut remercier John Bell, un physicien du CERN. Il a réalisé qu’il y avait une limite sur la manière dont les propriétés des 2 particules étaient connectées si on devait croire la théorie du principe de localité. Bell a formulé sa théorie dans une expression mathématique appelée l’inégalité (les inégalités de Bell). Si les tests montraient que la connexion entre les particules excédait la limite que Bell avait fixée, alors le principe de localité était décapité.
C’est la magie de l’inégalité de Bell selon Johannes Kofler, un collègue de Zeilinger. Il a transformé une chose qui était quasiment de la philosophie pure en une chose que vous pouviez tester. Et les tests ont été effectués. Les expériences ont enfreint l’inégalité de Bell depuis des décennies et la majorité des physiciens estiment que l’opinion d’Einstein sur le principe de localité était fausse. Mais les expériences n’étaient pas parfaites, car tous les précédents tests avaient des failles (nous utilisons brèche, faille ou trou pour le terme Loophole). Et cela laissait un trou par lequel le camp d’Einstein pouvait revenir pour contredire la mécanique quantique.
Selon Zeilinger : La notion du principe de localité est tellement ancrée dans notre pensée quotidienne, même celles des physiciens, qu’il est très important de combler toutes les lacunes.
Le compromis sur les failles
Un test de Bell typique commence avec une source de photons qui sont séparés en 2 en même temps et ils sont envoyés dans des directions différentes vers 2 détecteurs. Cette source de photons fonctionne par une paire hypothétique appelée Alice et Bob. La paire possède des réglages différents sur leurs détecteurs pour que seuls des photons avec certaines propriétés puissent passer à travers. Si les photons sont intriqués selon la mécanique quantique, alors ils vont s’influencer l’un avec l’autre et des tests répétés vont montrer un Pattern étrange entre les mesures d’Alice et Bob. Des mesures étranges qui ne sont pas autorisées par le principe de localité.
Mais quid si Alice et Bob se transfèrent des signaux invisibles via peut-être la fameuse couche de réalité profonde d’Einstein ce qui permet à chaque détecteur de se communiquer l’un avec l’autre ? Et si c’est le cas, alors vous ne pouvez pas être sûr que les particules s’influencent vraiment l’un avec l’autre en même temps selon la mécanique quantique. Cela impliquerait simplement que les détecteurs sont complices et cela modifie les mesures. On connait ce problème comme la faille de localité (Locality Loophole). Et on peut la résoudre en déplaçant les détecteurs à une telle distance que le signal n’a pas le temps de traverser avant la fin des mesures. Auparavant, Zeilinger et d’autres chercheurs avaient fait ce type d’expérience en tirant des photons entre 2 îles des Canaries qui étaient distantes de 144 kilomètres.
Mais si vous bouchez une faille, alors une autre va s’ouvrir. Le test de Bell se base sur la construction d’une image statistique via des expériences répétées. Et cela ne fonctionne pas si votre équipement ne collecte pas suffisamment de photons. D’autres expériences avaient fermé cette faille de détection, mais le problème empire si vous séparez les détecteurs, car les photons peuvent être perdus sur le trajet. Le fait de déplacer les détecteurs pour fermer la faille de localité provoque l’agrandissement de la faille de détection. Selon Kofler, il y a un compromis entre ces 2 choses. Cela signifie que le camp d’Einstein aura toujours une faille à sa disposition pour contrecarrer la mécanique quantique.
Notre expérience réalise le premier test de Bell qui résout simultanément la faille de détection et celle de localité selon l’équipe de Hanson dans un article qui détaille l’étude. L’équipe n’a pas donné d’interviews ou autre parce que ces travaux sont encore évalués avant d’être publiés dans une revue.
Des diamants intriqués
Dans leur test, Alice et Bob étaient situés dans 2 laboratoires à une distance de 1,3 kilomètre. La lumière met 4,27 microsecondes pour traverser cette distance et les mesures prennent seulement 3,7 secondes. C’est suffisant pour fermer la faille de localité.
Chaque laboratoire possède un diamant qui possède un électron avec une propriété appelée Spin. L’équipe utilise des micro-ondes aléatoires pour frapper les diamants. Ce processus fait que le diamant émet un photon qui est intriqué avec le Spin de l’électron. Ces photons sont ensuite envoyés à une troisième localisation appelée C, qui est situé entre Alice et Bob, où un autre détecteur mesure leur temps d’arrivée. Si les photons, qui proviennent d’Alice et Bob, arrivent au même endroit, alors ils transfèrent leur intrication aux Spins de chaque diamant. Les électrons sont donc intriqués à travers la distance des 2 laboratoires. Et c’est exactement ce dont on a besoin pour le test de Bell. De plus, les Spins des électrons sont mesurés en permanence et les détecteurs sont de qualité suffisante pour fermer la faille de détection.
Mais l’inconvénient est que les 2 photons arrivant au point C coïncident rarement et on avait que quelques photons par heure. L’équipe a effectué 245 mesures et c’était une longue attente. C’était vraiment une expérience très difficile selon Kofler. Mais les résultats étaient clairs. Les laboratoires ont détecté plus de Spins intriqués que ce qui était autorisé par le principe de la localité. Le monde étrange de la mécanique quantique est bien notre monde.
S’ils ont vraiment réussi, alors c’est une expérience remarquable selon Sandu Popescu de l’université de Bristol. Mais il ajoute que la plupart des gens s’attendaient à ce résultat. Ce n’est pas le genre d’expérience où on retient son souffle en espérant les résultats. Mais cette expérience est révolutionnaire dans la mesure où elle va mener au développement de nouvelles technologiques quantiques.
Le chiffrement quantique est l’une des technologies quantiques les plus importantes qu’on utilise aujourd’hui. Les réseaux de donnée, qui utilisent les propriétés étranges du monde quantique garantissant un secret absolu, se répandent déjà à travers le monde. Mais les failles étaient des bugs potentiels dans les lois de la physique qui auraient permis à des Hackers de briser le chiffrement quantique. Les tests de Bell sont une garantie de sécurité selon Kofler. On peut même dire que l’équipe de Hanon vient juste de corriger l’univers.
La liberté du choix
Il y a toujours des moyens de titiller les résultats de l’expérience. Ce test était si difficile que la valeur P, une mesure de la pertinence statistique, était assez élevée pour des travaux en physique. D’autres sciences telles que la biologie accepte une valeur P inférieure à 5 % pour dire que c’est fiable. Mais les physiciens insistent pour avoir une valeur qui est des millions de fois inférieurs. Le groupe de Hanson rapporte une valeur P d’environ 4 %, soit juste en dessous de la norme.
Mais cela n’est pas un problème selon Zeilinger. J’espère qu’ils ont amélioré l’expérience et le temps qu’elle soit publiée officiellement, ils pourront présenter des données bien plus fiables. Je n’ai aucun doute que ce test va résister aux évaluations. Mais il reste une brèche pour les partisans du principe de localité, mais aucune expérience ne peut la résoudre. Quid s’il y a un genre de lien entre les générateurs de micro-ondes aléatoires et les détecteurs ? Cela impliquerait qu’Alice et Bob seraient libres de choisir les réglages de leur équipement, mais que des variables cachées pourraient interférer avec leur choix et fausser le test de Bell.
L’équipe de Hanson estime que c’est une possibilité, mais elle suppose aussi que ce n’est pas le cas. L’expérience de Zeilinger tente de combler la faille de cette liberté du choix en séparant les générateurs de nombres aléatoires et les détecteurs. D’autres ont proposé d’utiliser les photons provenant de quasars distants pour produire les nombres aléatoires pour avoir une séparation de plusieurs milliards d’années. Mais cela n’aidera pas sur le long terme.
Supposons que l’univers soit prédéterminé. L’oscillation de chaque photon est gravée dans la pierre depuis des temps immémoriaux. Dans ce cas, personne n’aurait le choix sur quoi que ce soit. La faille de la liberté du choix ne pourra jamais être comblée totalement. Et ce n’est pas une chose que la science doit s’inquiéter. Car si l’univers est prédéterminé, alors l’absence totale de liberté de choix dans nos vies signifie qu’on a des problèmes bien plus sérieux à résoudre. Mais quelle aurait été la réponse d’Einstein face à ce nouveau résultat ? Malheureusement, il est mort avant que Bell propose son inégalité. Et on ignore si ces nouveaux développements l’auraient fait changer d’avis. Mais les scientifiques s’accordent à dire que vu le personnage, il aurait apprécié que des milliers de scientifiques aient essayé de prouver qu’il avait tort pendant toutes ces décennies. Selon Zeilinger : Je donnerais beaucoup pour voir sa réaction, mais je pense qu’il serait impressionné.
