La physique quantique a raison


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  • L’expérience de la double fente est l’expérience la plus célèbre et probablement la plus importante de la physique quantique : des particules individuelles sont projetées sur un mur avec deux ouvertures, derrière lesquelles un détecteur mesure où les particules arrivent. Cela montre que les particules ne se déplacent pas le long d’un chemin très spécifique, comme cela est connu des objets classiques, mais le long de plusieurs chemins simultanément : chaque particule individuelle passe à la fois par l’ouverture gauche et par l’ouverture droite.

    Normalement, cependant, cela ne peut être prouvé qu’en répétant l’expérience encore et encore et en évaluant les résultats de nombreuses détections de particules à la fin. À TU Wien, il a maintenant été possible de développer une nouvelle variante d’une telle expérience d’interférence bidirectionnelle qui peut corriger ce défaut : un seul neutron est mesuré à une position spécifique — et en raison de la configuration de mesure sophistiquée, cette mesure unique prouve déjà que la particule s’est déplacée le long de deux chemins différents en même temps. Il est même possible de déterminer le rapport dans lequel le neutron était réparti entre les deux trajets. Ainsi, le phénomène de superposition quantique peut être prouvé sans avoir recours à des arguments statistiques. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue « Recherche d’examen physique. »

    L’expérience de la double fente

    « Dans l’expérience classique à double fente, un motif d’interférence est créé derrière la double fente », explique Stephan Sponar de l’Institut atomique de la TU Wien. « Les particules se déplacent comme une onde à travers les deux ouvertures en même temps, et les deux ondes partielles interfèrent alors l’une avec l’autre. À certains endroits, elles se renforcent mutuellement, à d’autres, elles s’annulent. »

    La probabilité de mesurer la particule derrière la double fente à un endroit bien précis dépend de ce schéma d’interférence : là où l’onde quantique est amplifiée, la probabilité de mesurer la particule est élevée. Là où l’onde quantique est annulée, la probabilité est faible. Bien sûr, cette distribution d’ondes ne peut pas être vue en regardant une seule particule. Ce n’est que lorsque l’expérience est répétée plusieurs fois que le modèle d’onde devient de plus en plus reconnaissable point par point et particule par particule.

    « Ainsi, le comportement des particules individuelles est expliqué sur la base de résultats qui ne deviennent visibles que grâce à l’étude statistique de nombreuses particules », explique Holger Hofmann de l’Université d’Hiroshima, qui a développé la théorie derrière l’expérience. « Bien sûr, ce n’est pas entièrement satisfaisant. Nous avons donc réfléchi à la manière dont le phénomène d’interférence bidirectionnelle peut être prouvé sur la base de la détection d’une seule particule. »

    Faire tourner le neutron

    Ceci a été rendu possible grâce aux neutrons de la source de neutrons de l’ILL à Grenoble : Les neutrons sont envoyés sur un cristal qui scinde l’onde quantique du neutron en deux ondes partielles, très similaire à l’expérience classique de la double fente. Les deux ondes partielles de neutrons se déplacent le long de deux chemins différents et se recombinent à nouveau. Ils interfèrent et sont ensuite mesurés.

    De plus, cependant, une autre propriété du neutron est exploitée : son spin, le moment cinétique de la particule. Il peut être influencé par des champs magnétiques, le moment cinétique du neutron pointe alors dans une direction différente. Si le spin du neutron est mis en rotation sur un seul des deux chemins, il est possible de déterminer ensuite quel chemin il a emprunté. Cependant, le motif d’interférence disparaît alors également, en raison de la complémentarité en mécanique quantique. « Nous faisons donc tourner un peu le spin du neutron », explique Hartmut Lemmel, le premier auteur de la publication actuelle. « Ensuite, le modèle d’interférence demeure, car vous ne pouvez obtenir que très peu d’informations sur le chemin. Afin d’obtenir encore des informations précises sur le chemin, cette mesure « faible » est répétée plusieurs fois dans les expériences conventionnelles. Cependant, on n’obtient alors qu’une déclaration statistique sur l’ensemble des neutrons et ne peut dire que peu de choses sur chaque neutron individuel. »

    Inverser la rotation

    La situation est différente si, après la fusion des deux ondes partielles de neutrons, un autre champ magnétique est utilisé pour inverser à nouveau le spin. Par essais et erreurs, on détermine l’angle de rotation nécessaire pour ramener le spin de l’état superposé dans la direction d’origine. La force de cette rotation est une mesure de la force avec laquelle le neutron était présent dans chaque trajet. S’il n’avait emprunté que le chemin sur lequel le spin a été tourné, l’angle de rotation complet serait nécessaire pour le faire pivoter en arrière. S’il n’avait pris que l’autre chemin, aucune rotation inverse n’aurait été nécessaire. Dans l’expérience réalisée à l’aide d’un séparateur de faisceau asymétrique spécial, il a été montré que les neutrons étaient présents à un tiers dans un trajet et à deux tiers dans l’autre.

    Grâce à des calculs détaillés, l’équipe a pu montrer : Ici, on ne détecte pas simplement une valeur moyenne sur la totalité de tous les neutrons mesurés, mais la déclaration s’applique à chaque neutron individuel. Il faut de nombreux neutrons pour déterminer l’angle de rotation optimal, mais dès que celui-ci est défini, la présence de chemin déterminée à partir de celui-ci s’applique à chaque neutron détecté.

    « Nos résultats de mesure confirment la théorie quantique classique », déclare Stephan Sponar. « La nouveauté est qu’il n’est pas nécessaire de recourir à des arguments statistiques insatisfaisants : lors de la mesure d’une seule particule, notre expérience montre qu’elle a dû emprunter deux chemins en même temps et quantifie sans ambiguïté les proportions respectives. » Cela exclut les interprétations alternatives de la mécanique quantique qui tentent d’expliquer l’expérience de la double fente avec des particules localisées.

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