Comportement quantique caractéristique des gouttelettes rebondissantes

L’une des perspectives les plus étranges vient d’une expérience de pensée connue sous le nom de « testeur de bombe quantique ». L’expérience propose qu’une particule quantique, telle qu’un photon, puisse agir comme une sorte de détecteur de bombe télékinésique. Grâce à ses propriétés à la fois de particule et d’onde, le photon pourrait, en théorie, détecter la présence d’une bombe sans interagir physiquement avec elle.

Le concept se vérifie mathématiquement et est conforme à ce que permettent les équations régissant la mécanique quantique. Mais lorsqu’il s’agit d’expliquer exactement comment une particule accomplirait un tel exploit de détection de bombes, les physiciens sont perplexes. L’énigme réside dans l’état intrinsèquement instable, intermédiaire et indéfinissable d’une particule quantique. En d’autres termes, les scientifiques doivent simplement avoir confiance que cela fonctionne.

Mais les mathématiciens du MIT espèrent dissiper une partie du mystère et, à terme, établir une image plus concrète de la mécanique quantique. Ils ont maintenant montré qu’ils pouvaient recréer un analogue du testeur de bombe quantique et générer le comportement prédit par l’expérience. Ils l’ont fait non pas dans un cadre quantique exotique, microscopique, mais dans une configuration de table apparemment banale et classique.

Dans un article paru aujourd'hui dans Examen physique A, l'équipe rapporte avoir recréé le testeur de bombe quantique dans une expérience avec une étude des gouttelettes rebondissantes. L'équipe a découvert que l'interaction de la gouttelette avec ses propres ondes est similaire au comportement onde-particule quantique d'un photon : lorsqu'elle est larguée dans une configuration similaire à celle proposée dans le test de la bombe quantique, la gouttelette se comporte exactement de la même manière statistique que est prédit pour le photon. S’il y avait effectivement une bombe dans la configuration 50 % du temps, la gouttelette, comme le photon, la détecterait, sans interagir physiquement avec elle, 25 % du temps.

Le fait que les statistiques des deux expériences concordent suggère que quelque chose dans la dynamique classique de la gouttelette pourrait être au cœur du comportement quantique par ailleurs mystérieux d'un photon. Les chercheurs voient l’étude comme un autre pont entre deux réalités : le monde classique observable et le domaine quantique plus flou.

“Nous avons ici un système classique qui donne les mêmes statistiques que celles du test de la bombe quantique, considéré comme l'une des merveilles du monde quantique”, explique l'auteur de l'étude John Bush, professeur de mathématiques appliquées au MIT. “En fait, nous constatons que le phénomène n'est pas si merveilleux après tout. Et c'est un autre exemple de comportement quantique qui peut être compris d'un point de vue réaliste local.”

Le co-auteur de Bush est Valeri Frumkin, ancien postdoctorant du MIT.

Faire des vagues

Pour certains physiciens, la mécanique quantique laisse trop de place à l’imagination et n’en dit pas assez sur la dynamique réelle à l’origine de ces phénomènes étranges. En 1927, dans une tentative de cristalliser la mécanique quantique, le physicien Louis de Broglie a présenté la théorie des ondes pilotes – une idée encore controversée selon laquelle le comportement quantique d'une particule est déterminé non pas par une vague statistique intangible d'états possibles mais par un ” onde pilote” qu'elle a elle-même créée, qui guide la particule à travers l'espace.

Le concept a été largement écarté jusqu'en 2005, lorsque le physicien Yves Couder a découvert que les ondes quantiques de de Broglie pouvaient être reproduites et étudiées dans une expérience classique basée sur les fluides. La configuration implique un bain de fluide qui vibre subtilement de haut en bas, mais pas suffisamment pour générer des ondes à lui seul. Une gouttelette millimétrique du même fluide est ensuite distribuée sur le bain et, lorsqu'elle rebondit sur la surface, la gouttelette résonne avec les vibrations du bain, créant ce que les physiciens appellent un champ d'ondes stationnaires qui « pilote » ou pousse la gouttelette. le long de. L'effet est celui d'une gouttelette qui semble marcher le long d'une surface ondulée selon des motifs qui s'avèrent conformes à la théorie des ondes pilotes de de Broglie.

Au cours des 13 dernières années, Bush a travaillé pour affiner et étendre les expériences d'ondes pilotes hydrodynamiques de Couder et a utilisé avec succès cette configuration pour observer des gouttelettes présentant un comportement émergent de type quantique, notamment l'effet tunnel quantique, la diffraction d'une seule particule et des trajectoires surréalistes.

“Il s'avère que cette expérience hydrodynamique à ondes pilotes présente de nombreuses caractéristiques des systèmes quantiques qui étaient auparavant considérées comme impossibles à comprendre d'un point de vue classique”, a déclaré Bush.

Bombes loin

Dans leur nouvelle étude, lui et Frumkin se sont attaqués au testeur de bombes quantiques. L'expérience de pensée commence avec un interféromètre conceptuel : essentiellement, deux couloirs de même longueur qui partent du même point de départ, puis tournent et convergent, formant une configuration en forme de losange à mesure que les couloirs continuent, chacun se terminant par un détecteur respectif. .

Selon la mécanique quantique, si un photon est tiré depuis le point de départ de l'interféromètre, à travers un séparateur de faisceau, la particule devrait parcourir l'un des deux couloirs avec une probabilité égale. Pendant ce temps, la mystérieuse « fonction d’onde » du photon, ou la somme de tous ses états possibles, parcourt simultanément les deux couloirs. La fonction d'onde interfère de telle manière que la particule n'apparaît que sur un détecteur (appelons-le D1) et jamais sur l'autre (D2). Par conséquent, le photon devrait être détecté à D1 100 % du temps, quel que soit le couloir traversé.

S'il y a une bombe dans l'un des deux couloirs et qu'un photon se dirige dans ce couloir, cela déclenche de manière prévisible la bombe et la configuration est réduite en morceaux, et aucun photon n'est détecté dans aucun des deux détecteurs. Mais si le photon traverse le couloir sans la bombe, quelque chose d’étrange se produit : sa fonction d’onde, en parcourant les deux couloirs, est interrompue par la bombe. Comme il ne s’agit pas vraiment d’une particule, l’onde ne déclenche pas la bombe. Mais l’interférence des ondes est modifiée de telle manière que la particule sera détectée avec la même probabilité en D1 et D2. Tout signal en D2 signifierait donc qu'un photon a détecté la présence de la bombe, sans interagir physiquement avec elle. Si la bombe est présente 50 % du temps, alors cette étrange détection de bombe quantique devrait se produire 25 % du temps.

Dans leur nouvelle étude, Bush et Frumkin ont mis en place une expérience analogue pour voir si ce comportement quantique pouvait apparaître dans des gouttelettes classiques. Dans un bain d’huile de silicium, ils ont immergé une structure semblable aux couloirs en forme de losange de l’expérience de pensée. Ils ont ensuite soigneusement distribué de minuscules gouttelettes d’huile dans le bain et ont suivi leur chemin. Ils ont ajouté une structure sur un côté du losange pour imiter un objet ressemblant à une bombe et ont observé comment la gouttelette et ses vagues changeaient en réponse.

En fin de compte, ils ont constaté que 25 % du temps, une gouttelette rebondissait dans le couloir sans la « bombe », tandis que ses ondes pilotes interagissaient avec la structure de la bombe d’une manière qui éloignait la gouttelette de la bombe. De ce point de vue, la gouttelette était capable de « détecter » l’objet ressemblant à une bombe sans entrer physiquement en contact avec lui. Alors que la gouttelette présentait un comportement de type quantique, l’équipe pouvait clairement voir que ce comportement émergeait des ondes de la gouttelette, ce qui aidait physiquement à éloigner la gouttelette de la bombe. Selon l’équipe, cette dynamique pourrait également contribuer à expliquer le comportement mystérieux des particules quantiques.

“Non seulement les statistiques sont les mêmes, mais nous connaissons également la dynamique, ce qui était un mystère”, explique Frumkin. “Et la conclusion est qu'une dynamique analogue peut être à la base du comportement quantique.”

“Ce système est le seul exemple que nous connaissons qui n'est pas quantique mais partage de fortes propriétés onde-particules”, explique le physicien théoricien Matthieu Labousse, au CNRS, ESPCI Paris PSL, qui n'a pas participé à l'étude. “Il est très surprenant que de nombreux exemples pensés comme propres au monde quantique puissent être reproduits par un système aussi classique. Cela permet de comprendre la barrière entre ce qui est spécifique à un système quantique et ce qui ne l'est pas. Les derniers résultats de l'étude Le groupe du MIT pousse la barrière très loin.”

Cette recherche est soutenue, en partie, par la National Science Foundation.