L’intrication quantique prouvée par la lumière des étoiles

La faille de la liberté de choix dans le test de Bell utilisé dans l’intrication quantique a été réduite considérablement en utilisant l’alignement des étoiles.


La faille de la liberté de choix dans le test de Bell utilisé dans l'intrication quantique a été réduite considérablement en utilisant l'alignement des étoiles.

L’ est un phénomène qui ressemble à de la science-fiction dans la mesure où elle est très contre-intuitive à notre réalité. Mais selon les lois de la , l’intrication quantique est un phénomène bien réel.

Imaginez 2 grains de poussière de chaque côté de l’univers qui sont séparés par des milliards d’années-lumières. La prédit que, indépendamment de la distance qui les sépare, ces 2 particules peuvent être intriquées. L’intrication quantique signifie que toute mesure faite sur la première particule fournit des informations sur le résultat de la mesure de la seconde particule. Dans ce cas, les résultats de mesure de chaque membre deviennent très intriqués.

Mais si l’univers se comportait selon la vision d’Einstein avec chaque particule possédant des propriétés définies indépendantes avant la mesure et que seules des causes locales pouvaient provoquer des effets locaux, alors il devrait exister une limite sur la distance concernant l’éloignement de chaque particule. Le physicien John Bell avait qualifié cette limite supérieure comme l’ il y a plus de 50 ans.

Dans de nombreuses expériences précédentes, les physiciens avaient observé l’intrication quantique des particules par rapport à la limite établie par l’inégalité de Bell. Mais ces tests souffraient de plusieurs failles qui indiquent que les observations peuvent être expliquées dans un monde qui n’est pas régi par la mécanique quantique. Désormais, les physiciens du MIT et de l’université de Vienne ont résolu une faille dans les tests de l’inégalité de Bell qu’on connait comme la faille sur la liberté de choix () et ils ont présenté une démonstration solide de l’intrication quantique même quand la vulnérabilité de cette faille est très réduite. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters. 1

Fermer les portes sur les alternatives à la mécanique quantique

La faille sur la liberté de choix se réfère à l’idée que les expérimentateurs ont une liberté totale pour mener leur expérience allant des particules qu’ils veulent intriquer jusqu’aux mesures qu’ils choisissent d’effectuer sur ces particules. Mais est-ce qu’il n’est pas possible qu’il y ait des facteurs ou des variables cachées qui sont corrélées avec l’expérience en faisant en sorte que les résultats semblent prouver l’intrication quantique alors que cela pourrait être des mécanismes non quantiques ?

Les physiciens ont tenté de résoudre cette faille avec des expériences très contrôlées dans lesquelles ils produisent une paire de photons intriqués à partir d’une seule source et ensuite, ils envoient les photons sur 2 détecteurs différents et ils mesurent les propriétés de chaque photon pour déterminer leur niveau d’intrication quantique. Pour écarter la possibilité des variables cachées, les chercheurs ont utilisé des générateurs de nombres aléatoires sur chaque détecteur pour décider la propriété du photon qu’ils devaient mesurer dans la fraction de seconde où le photon part de la source et arrive au détecteur. Mais il y a une probabilité faible, que des variables cachées et donc des influences non quantiques puissent affecter le générateur de nombre aléatoire avant qu’il choisisse la mesure pour le détecteur.

Au coeur de l’intrication quantique, on a surtout le niveau élevé de corrélation dans les résultats des mesures de ces paires de particules selon David Kaiser, professeur d’histoire des sciences et de physique au MIT. Mais un sceptique pourrait insister que ces corrélations ne sont pas provoquées par des particules qui fonctionnent selon des lois de la physique quantique. Nous voulions déterminer s’il y avait d’autres manières d’avoir ces corrélations à part l’explication quantique.

Les alignements des

En 2014, Kaiser, Friedman et Jason Gallicchio ont proposé une expérience pour utiliser d’anciens photons à partir de sources astronomiques tels que des étoiles ou des quasars. Ces étoiles ou ces quasars allaient servir de générateurs cosmiques plutôt que d’utiliser des générateurs de nombre sur Terre pour déterminer les mesures faites sur chaque photon. Une telle lumière cosmique provient d’objets très distants à des dizaines de milliards d’années-lumières. De ce fait, s’il y avait des variables cachées pour interférer avec le choix aléatoire des mesures, alors ces variables devaient effectuer les changements avant que la lumière quitte la source cosmique, c’est à dire bien avant qu’on mène les expériences sur Terre.

Dans ce nouveau papier, les chercheurs ont expérimenté leur idée pour la première fois. L’équipe incluant le professeur Anton Zeilinger et son groupe de l’université de Vienne et l’Austrian Academy of Sciences, ont configuré une source pour produire des photons hautement intriqués sur le toit d’un laboratoire de l’université à Vienne. Dans chaque expérience, ils ont émis des photons intriqués dans des directions opposées sur des détecteurs situés dans plusieurs immeubles dans la ville qui étaient la Banque Nationale d’Autriche et un autre bâtiment de l’université.

Les chercheurs ont également configuré des télescopes sur les sites des détecteurs et ils les ont pointés vers des étoiles dont la plus proche est à 600 années-lumières et cette étoile pouvait envoyer des photons suffisants dans leur direction. Pendant plusieurs nuits, les étoiles se sont alignées selon Andrew Friedman du MIT. Et avec des étoiles aussi lumineuses, on a eu une véritable pluie de photons. Et nous avions ces détecteurs très rapides qui pouvaient détecter les photons cosmiques à des intervalles inférieurs à des nanosecondes.

L’action terrifiante à distance

Dans les quelques microsecondes avant qu’un photon intriqué arrive sur le détecteur, les chercheurs ont utilisé chaque télescope pour mesurer rapidement une propriété provenant d’un photon cosmique pour déterminer si sa longueur d’onde était rouge ou bleu par rapport à une longueur d’onde de référence. Ensuite, ils ont utilisé cette propriété aléatoire qui a donc été produite par l’étoile il y a 600 ans pour déterminer la mesure de la propriété du photon intriqué. Dans ce cas, les photons cosmiques rouges ont signalé au détecteur de mesurer la polarisation du photon dans une direction particulière. Un photon stellaire bleu va également « dire » de mesurer la polarisation du photon dans une autre direction.

L’équipe a mené 2 expériences avec chacune qui a duré 3 minutes. Dans chaque cas, les chercheurs ont mesuré 100 000 paires de photons intriqués. Ils ont découvert que les mesures de la polarisation des paires de photons étaient hautement corrélées et c’était largement supérieur à la limite de l’inégalité de Bell et la mécanique quantique propose l’explication la plus satisfaisante de ce phénomène. Nos réponses sont extrêmement cohérentes avec la mécanique quantique et totalement détraquées par rapport aux prédictions d’Einstein selon Kaiser. Les résultats représentent des améliorations qui sont 16 fois plus précises en ordre de grandeur par rapport aux expériences précédentes qui ont tenté de combler la . Toutes les expériences précédentes étaient vulnérables au décalage de quelques microsecondes avant l’expérience, mais la nôtre propose un décalage de 600 ans. Donc, c’est une différence d’un millionième de seconde contre 600 ans équivalents en secondes.

Pour que la vision déterministe tienne encore la route, il faudrait que « quelqu’un » ait configuré un mécanisme il y a 600 ans pour interférer avec notre expérience actuelle. Je pense qu’on peut écarter cette possibilité avec une grande probabilité.

Sources

1.
Handsteiner J, Friedman AS, Rauch D, et al. Cosmic Bell Test: Measurement Settings from Milky Way Stars. Phys Rev Lett. 2017;118(6). doi: 10.1103/physrevlett.118.060401
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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.

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