L'intrication quantique expliquée de manière simple… enfin presque

On estime que l’intrication quantique est l’un des concepts les plus difficiles à comprendre en science, mais ses principes fondamentaux sont simples. Et une fois qu’on les a compris, l’intrication ouvre la voie à des compréhensions plus riches aux univers parallèles dans la théorie quantique.


Un petit dossier pour comprendre l'intrication quantique

Traduction d’un article original sur Quanta Magazine. L’auteur est Frank Wilczek, colauréat du prix Nobel de physique de 2004 pour la découverte de la liberté asymptotique dans la théorie de l’interaction forte.

Une aura de mystère entoure le concept de l’, mais également sur sa prétention d’ouvrir la porte à plusieurs mondes. Mais l’intrication quantique et les mondes multiples restent avant tout des idées scientifiques avec des significations terre-à-terre et des implications concrètes. Dans cet article, j’essaie d’expliquer l’intrication quantique et les mondes multiples de la manière la plus simple possible.

L’intrication non quantique

On considère que l’intrication est un phénomène propre au monde quantique, mais ce n’est pas le cas. Parfois, il vaut mieux commencer par comprendre une intrication non quantique. Cela nous permet de séparer l’intrication par rapport au monde étrange de la . L’intrication se produit dans des situations où nous avons une connaissance partielle sur l’état de 2 systèmes. Par exemple, nos systèmes peuvent être 2 objets qu’on appellera C-ons. Le C signifie classique, mais vous pouvez remplacer le C-ons par des gâteaux. Nos gâteaux existent en 2 formes, carré et circulaire que nous identifions comme leurs états possibles. Et donc, nous avons 4 états possible (carré, carré), (carré, cercle), (cercle, carré) et (cercle, cercle). Le tableau suivant montre 2 exemples sur les probabilités qu’on peut trouver dans le système pour chacun de ces 4 états.

Comprendre facilement l'intrication quantique

Nous disons que les gâteaux sont indépendants si la connaissance de l’état de l’un d’entre eux ne donne pas d’information utile sur l’état de l’autre. Notre premier tableau possède cette propriété. Si le premier gâteau est un carré, alors nous ignorons la forme du second. De même, la forme du second ne révèle rien concernant la forme du premier. Et ensuite, on dit que nos 2 gâteaux sont intriqués quand l’information de l’un améliore l’information sur l’autre. Notre second tableau montre une intrication extrême. Dans ce cas, si la première forme est circulaire, alors la seconde est également un cercle. Et quand le premier est carré, alors la seconde l’est aussi. En connaissance la forme de l’une, on peut déduire la forme de l’autre avec certitude.

La version quantique de l’intrication

Comprendre facilement l'intrication quantique

La version quantique de l’intrication est principalement le même phénomène, à savoir, le manque d’indépendance. Dans la théorie quantique, les états sont décrits comme des objets mathématiques qu’on appelle des fonctions d’onde. Les règles, qui connectent les fonctions d’ondes aux probabilités physiques, introduisent des complications très intéressantes et on pourra en discuter, mais le concept central de la connaissance intriquée, que nous avons vu dans des probabilités classiques, reste valable.

Les gâteaux n’ont pas leurs places dans les systèmes quantiques, mais l’intrication entre des systèmes quantiques se produit naturellement, par exemple, après la collision de particules. En pratique, des états non intriqués (indépendants) sont des exceptions rares dans le monde quantique. Quelle que soit l’interaction des systèmes, cette interaction crée des corrélations entre eux.

On peut prendre les molécules. Ils sont les composites de sous-systèmes qui sont les électrons et le noyau. Le plus faible niveau d’énergie d’une molécule, qu’on trouve le plus fréquent, est un état fortement intriqué entre les électrons et le noyau concernant les positions de ces particules constituantes. En gros, si le noyau se déplace, les électrons se déplacent aussi.

En retournant à notre exemple, si nous écrivons Φ, Φ pour les fonctions d’onde décrivant le système 1 dans ses états carrés ou circulaires et ψ, ψ pour les fonctions d’onde décrivant le système 2 dans ses états carrés ou circulaires, alors notre exemple fonctionnel de tous les états serait :

Indépendants : Φ ψ + Φ ψ + Φψ + Φ ψ

Intriqué : Φ ψ + Φ ψ

On peut aussi écrire la version indépendante comme :

+ Φ)(ψ + ψ)
Notez comment dans cette formulation, les parenthèses séparent clairement les systèmes 1 et 2 dans des unités indépendantes. On peut créer des états intriqués de plusieurs manières. L’une d’entre elles est de mesurer votre système (composite) qui vous donne une information partielle. Nous pouvons apprendre, par exemple, que les 2 systèmes ont conspiré pour avoir la même forme sans apprendre exactement la forme qu’ils ont. Ce concept deviendra important plus tard.

La complémentarité

Les conséquences distinctives de l’intrication quantique, telles que les effets Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) et Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), se produisent à travers l’interaction d’un autre aspect de la théorie quantique connu comme la complémentarité. Pour ouvrir la voie vers l’EPR et le GHZ, on doit parler de cette complémentarité.

Auparavant, on avait imaginé que nos c-ons pouvaient avoir 2 formes (cercle et carré). Maintenant, nous imaginons qu’ils peuvent aussi avoir 2 couleurs, le rouge et le bleu. Si nous parlons de systèmes classiques comme des gâteaux, alors cela impliquerait que nos c-ons pourraient être dans un des 4 états possibles : un carré rouge, un cercle rouge, un carré bleu et un cercle bleu. Mais pour un gâteau quantique (un Quateau ou Q-on?), la situation est totalement différente. Le fait qu’un Q-on peut avoir différentes situations, formes ou couleurs ne signifient pas nécessairement qu’il possède à la fois la couleur et la forme en même temps. En fait, cette conclusion de bon sens, dont Einstein avait insisté pour qu’elle fasse partie de n’importe notion acceptable de la réalité physique, est incompatible avec les faits expérimentaux.

Nous pouvons mesurer la forme de notre q-on, mais en le faisant, nous perdons toute l’information sur sa couleur. Ou nous pouvons mesurer la couleur de notre q-on, mais nous allons perdre l’information concernant sa forme. Ce que nous ne pouvons pas faire, selon la théorie quantique, est de mesurer la forme et la couleur simultanément. Aucune vision de la réalité physique ne capture tous ses aspects. Chaque mesure est une vision mutuellement exclusive et chacune offre une information valide, mais partielle. C’est le coeur de la complémentarité formulée par Niels Bohr.

La conséquence est que la théorie quantique nous force à être circonspects lorsqu’on assigne une réalité physique à des propriétés individuelles. Pour éviter les contradictions, nous devons admettre que :

  • Une propriété qui n’est pas mesurée n’a pas besoin d’exister
  • La mesure est un processus actif qui altère le système qui est mesuré

Comprendre facilement l'intrication quantique

Maintenant, je vais décrire 2 illustrations classiques, même s’ils sont éloignés l’un de l’autre, de l’étrangeté de la théorie quantique. Et les 2 ont été testés avec des expériences rigoureuses. Et dans ces expériences, les gens mesurent des propriétés telles que le momentum angulaire des électrons plutôt que des formes ou des couleurs de gâteaux. Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen (EPR) ont décrit un effet étonnant qui se produit lorsque 2 systèmes quantiques sont intriqués. L’effet d’EPR (PDF) combine une forme expérimentale de l’intrication quantique avec la complémentarité.

L’effet EPR (Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen)

Une paire EPR consiste en 2 q-ons, chacun peut être mesuré pour sa forme ou sa couleur (mais pas les deux). Nous supposons que nous avons accès à de nombreuses paires, tout identiques et que nous pouvons choisir la mesure de leurs composants. Si nous mesurons la forme d’un membre d’une paire EPR, alors nous le trouverons carré ou circulaire de manière égale. Si nous mesurons la couleur, alors nous trouverons de manière égale que c’est rouge ou bleu.

Les effets intéressants, qu’EPR considérait comme étant paradoxaux, se produisent lorsque nous faisons la mesure des 2 membres de la paire. Quand nous mesurons les 2 membres pour la couleur ou pour la forme, alors nous trouvons que les résultats correspondent à chaque fois. De ce fait, si nous en trouvons un qui est rouge et que nous mesurons la couleur de l’autre plus tard, alors nous verrons qu’il est aussi rouge et ainsi de suite. D’autre part, si nous mesurons la forme de l’un et la couleur de l’autre, alors il n’y a pas de corrélation. Si le premier est un carré, alors le second sera rouge ou bleu de manière égale.

Nous obtiendrons ces résultats, selon la théorie quantique, même si de grandes distances séparent les 2 systèmes et que les mesures sont effectuées en même temps. Le choix de la mesure dans un endroit semble affecter l’état du système dans l’autre endroit. Cette action terrifiante à distance selon les termes d’Einstein, semble nécessiter la transmission de l’information et dans ce cas, c’est l’information sur le type de mesure qui a été effectué à une vitesse plus rapide que celle de la lumière.

Mais est-ce que c’est le cas ? Je connais le résultat que vous avez obtenu, mais j’ignore ce que je vais obtenir. Je peux avoir de l’information utile quand j’apprendrais le résultat que vous avez mesuré et non au moment où vous le mesurez. Et n’importe quel message, révélant le résultat que vous avez mesuré, doit être transmis physiquement à une vitesse inférieure de celle de la lumière.

Et le paradoxe se complique si on va plus loin. Considérons l’état du second système, en se basant sur le premier qui a été mesuré, comme étant rouge. Si nous choisissons de mesurer la couleur du second q-on, alors nous aurons un résultat rouge avec certitude. Mais comme mentionné auparavant, lorsque nous avons introduit la complémentarité, si nous choisissons de mesurer la forme d’un q-on, quand il est rouge, alors nous avons une probabilité égale d’avoir un cercle ou un carré. De ce fait, loin d’être un paradoxe, le résultat EPR est une logique forcée. C’est simplement un reconditionnement de la complémentarité.

Il n’est pas paradoxal de trouver que des événements distants sont corrélés. Après tout, si je mets chaque membre d’une paire de gants dans des boites et que je les envoie de chaque côté opposé de la Terre, alors je ne devrais pas être surpris, en regardant la première boite, de déduire le membre de la seconde. Si je trouve le gant gauche, alors je saurais que l’autre boite contient le gant droit quel que soit la distance. De même, dans tous les cas connus, les corrélations entre une paire EPR doivent être imprimé quand ses membres sont suffisamment proches et cette proximité survit à une séparation considérable comme s’ils avaient de la mémoire. Mais la particularité de l’EPR n’est pas une telle corrélation, mais une incarnation possible dans des formes complémentaires.

L’effet GHZ (Daniel Greenberger, Michael Horne et Anton Zeilinger)

Daniel Greenberger, Michael Horne et Anton Zeilinger ont découvert un autre exemple brillant de l’intrication quantique. Elle implique 3 de nos q-ons, préparés dans un état quantique spécial (l’état GHZ). Nous distribuons les 3 q-ons à 3 expérimentateurs distants. Chaque expérimentateur choisit, de manière aléatoire et indépendante, de mesurer la forme et la couleur et il enregistre le résultat. L’expérience est répétée à plusieurs reprises avec les 3 q-ons qui commencent avec l’état GHZ.

Chaque expérimentateur, séparément, trouve des résultats maximalement aléatoires. Quand il mesure la forme d’un q-on, alors il trouvera un carré ou un cercle de manière égale. S’il mesure la couleur, alors le rouge et le bleu apparaitront de manière égale. Rien de très étrange à première vue. Mais ensuite, quand les expérimentateurs se réunissent et comparent leurs mesures, l’analyse révèle un résultat étonnant. Disons que les formes carrées et les couleurs rouges sont le bien et les formes circulaires et les couleurs bleues sont le mal. Les expérimentateurs découvrent que si 2 d’entre eux choisissent de mesurer la forme, mais que le troisième mesure la couleur, alors ils trouveront exactement les résultats 0 ou 2 qui seront le mal (cercle et bleu). Mais quand les 3 mesurent la couleur, alors ils trouveront exactement que les mesures 1 ou 3 seront le mal. C’est prédit par la mécanique quantique et c’est ce qu’on observe.

Donc, est-ce que la quantité du mal est pair ou impair ? Les 2 possibilités sont réalisées et avec certitude dans différents types de mesure. Et nous sommes obligés de rejeter la question. Ça n’a pas de sens de parler de la quantité du mal dans notre système indépendamment de la manière dont il est mesuré, car cela mène à des contradictions.

L’effet GHZ est, selon les termes du physicien Sidney Coleman, la mécanique quantique dans votre tronche. Il démolit un préjudice profondément ancré, dans chaque expérience de notre vie quotidienne, que les systèmes physiques ont des propriétés définies indépendamment si ces propriétés sont mesurées. Si c’est le cas, alors l’équilibre entre le bien et le mal n’est pas affecté par les choix de la mesure. Et une fois qu’ils sont internalisés, le message de l’effet GHZ est inoubliable et psychédélique.

L’intrication quantique dans le temps

Jusqu’à présent, nous avons considéré comment l’intrication rend impossible d’assigner des états uniques et indépendants à plusieurs q-ons. Et des considérations similaires s’appliquent à l’évolution d’un seul q-on dans le temps. Nous disons que nous avons des histoires quantiques quand il est impossible d’assigner un état défini à notre système à chaque moment dans le temps. Nous avons une intrication conventionnelle en éliminant certaines possibilités. Nous pouvons créer des histoires quantiques en faisant des mesures pour avoir une information partielle sur ce qui s’est produit. Dans l’histoire quantique la plus simple, nous avons juste un q-on que nous mesurons à différents moments. Nous pouvons imaginer des situations où nous déterminons que la forme de notre q-on était carré ou circulaire dans les différents moments, mais nos observations autorisent les 2 possibilités. C’est une analogie temporelle quantique aux situations d’intrication quantique qu’on décrit un peu plus tôt.

Les mondes multiples

En utilisant un protocole élaboré, nous pouvons ajouter un peu de complémentarité à ce système et définir des situations qui nous amènent les mondes multiples de la théorie quantique. Notre q-on peut être préparé dans l’état rouge à un moment antérieur et on le mesure comme étant bleu à un moment postérieur. Dans les exemples précédents, nous ne pouvons pas assigner la propriété de couleur à notre q-on à des moments intermédiaires et il n’a pas de forme déterminée. Ce type d’histoires se réalise dans une manière limitée, mais qui est contrôlée et précise et c’est l’intuition qui alimente les mondes multiples de la mécanique quantique. Un état défini peut se brancher dans des trajectoires historiques contradictoires pour se réunir.

Erwin Schrödinger, l’un des fondateurs de la théorie quantique, était profondément sceptique sur cette correction finale et il a argué que l’évolution des systèmes quantiques peut mener à des états dont la mesure donnera des propriétés grossièrement différentes. Les états de son chat de Schrödinger ont développé l’incertitude quantique sur la mortalité du félin. Avant la mesure, comme dans nos exemples, nous ne pouvons pas assigner la propriété de vie ou de mort du chat. Et les deux ou rien coexistent dans un enfer de possibilités.

Le langage quotidien ne peut pas décrire correctement la complémentarité quantique, car nous ne la rencontrons jamais dans notre vie quotidienne. Les chats interagissent avec les molécules d’air qui les entourent de différentes manières qu’ils soient vivants ou morts et donc, la mesure est automatique avec le chat qui est mort ou vivant. Mais les histoires quantiques décrivent les q-ons comme les chattons de Schrödinger dans un certain sens. Leur description complète nécessite, à des moments intermédiaires, que nous prenions en compte les 2 trajectoires contradictoires.

La réalisation expérimentale contrôlée des histoires quantiques est délicate, car elle nécessite une collecte d’une information partielle de notre q-on. Les mesures conventionnelles quantiques donnent une information complète telle que la forme ou une couleur définie plutôt qu’une information partielle qui s’étalerait sur plusieurs moments. Mais on peut le faire sans trop de difficulté technique. Et de cette manière, nous pouvons donner une signification mathématique et expérimentale à la prolifération des mondes multiples dans la théorie quantique et démontrer sa substantialité.

 

N'oubliez pas de voter pour cet article !
1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (5 votes, average: 3,60 out of 5)
Loading...
mm

Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

1 réponse

  1. LEMONNIER MARC dit :

    Ces explications sont claires et permettent de suivre et comprendre les textes de vulgarisation sur ce sujet

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *