Des physiciens prouvent l’étrangeté quantique et chassent le chat de Schrödinger

Le monde de la mécanique quantique est étrange. Des objets très éloignés les uns des autres peuvent s’influencer mut uellement dans ce qu’Albert Einstein appelait “l’action étrange à distance”, et les chats peuvent potentiellement être morts et vivants en même temps. Depuis des décennies, les scientifiques tentent de prouver que ces effets ne sont pas seulement des bizarreries mathématiques, mais des propriétés réelles du monde physique.

Et ils y parviennent. Les chercheurs ont finalement prouvé dans une nouvelle étude que le lien entre les particules à distance reflète la façon dont l’univers se comporte, plutôt que d’être un artefact expérimental. Dans le même temps, une autre équipe de chercheurs a entrepris de montrer qu’un être vivant, même s’il s’agit d’une bactérie, peut se trouver dans deux états quantiques différents en même temps – tout comme le chat dans l’expérience de pensée de Schrödinger.

Mais commençons par l’article, publié dans Nature, qui prouve que le monde est intrinsèquement sinistre. Tous les systèmes décrits par la mécanique quantique peuvent présenter une “intrication”. Par exemple, un électron, comme une pièce de monnaie, peut tourner dans deux directions (haut et bas). Mais deux électrons peuvent être intriqués de telle sorte qu’une mesure du spin d’un électron définira le spin de l’autre.

Selon la mécanique quantique, le spin d’un électron ne peut pas être connu avant la mesure, mais il sera parfaitement corrélé avec l’autre, même s’il se trouve dans un endroit éloigné. Einstein n’aimait pas cela, car cela semblait impliquer que l’information pouvait être envoyée d’un électron à l’autre instantanément, enfreignant ainsi une règle selon laquelle rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Il pensait plutôt qu’il y avait des “variables cachées ” encodées dans chaque électron qui pouvaient déterminer le résultat si seulement nous pouvions y accéder.

Mais dans les années 1960, le scientifique nord-irlandais John Bell a mis au point une méthode permettant de tester la théorie d’Einstein. L’“inégalité de Bell ” n’est satisfaite que si les actions menées à un endroit ne peuvent pas en affecter un autre instantanément et si les résultats des mesures sont bien définis à l’avance – ce que l’on appelle le “réalisme local”.

Bell a montré, en théorie, que l’intrication quantique violerait son test d’inégalité mais que les théories réalistes locales contenant les variables cachées d’Einstein ne le feraient pas. En effet, le lien entre les particules intriquées est plus fort que ce qu’Einstein voulait croire. Ainsi, si la corrélation mesurée entre des paires de particules lors d’une expérience était supérieure à un certain seuil, elle serait incompatible avec les variables cachées et l’intrication l’emporterait.

Le désir de tester cette théorie en laboratoire a entraîné d’énormes progrès expérimentaux au cours des 51 années qui ont suivi la publication de l’article de Bell. Cependant, toutes les mises en œuvre des tests de Bell à ce jour comportaient des failles qui laissaient une certaine marge de manœuvre à l’univers pour obéir aux théories réalistes locales.

L’une de ces failles était que l’efficacité des mesures était trop faible (connue sous le nom de faille de détection). Bien que les données obtenues aient violé le test de l’inégalité de Bell, il se peut qu’elles ne soient pas un échantillon représentatif d’un ensemble complet, car certains photons de l’expérience n’ont pas pu être détectés. Une autre faille était que les mesures étaient trop lentes (la faille de localité). Si les appareils de mesure étaient capables de communiquer via un canal inconnu, plus lent que la lumière, ils pourraient partager des informations et influencer le résultat de la mesure imminente.

Cette nouvelle étude est la première expérience à combler simultanément ces deux lacunes dans un test de l’inégalité de Bell. Les scientifiques ont utilisé un laser pour faire en sorte que deux électrons spécifiques, chacun dans un diamant situé à plus d’un kilomètre de distance, augmentent leur énergie et émettent une particule de lumière (un photon), qui était enchevêtrée avec l’état de l’électron. Les photons ont ensuite été envoyés par une fibre optique pour être réunis à un troisième endroit. S’ils arrivaient au même moment, les photons interagissaient entre eux et s’emmêlaient, ce qui signifiait que leurs copains électrons éloignés s’emmêlaient également.

Les spins des électrons ont ensuite été mesurés pour tester l’inégalité de Bell. Les deux failles ont été comblées en veillant à ce que l’efficacité et la vitesse de la lecture soient suffisamment élevées. L’équipe a ainsi pu démontrer de manière concluante que l’univers n’obéit pas au réalisme local : les résultats des mesures ne peuvent être connus à l’avance et la moitié d’un état enchevêtré peut exercer une action spooky sur son partenaire distant.

Le célèbre félin de la physique

L’intrication n’est pas le seul type de comportement quantique inhabituel. Un autre effet, connu sous le nom de superposition, est la capacité d’une particule à exister simultanément dans deux états (par exemple le spin ou même l’emplacement), et est désormais régulièrement observé dans les laboratoires du monde entier. Par exemple, on sait que les électrons traversent deux fentes en même temps – lorsque nous ne regardons pas. Dès que nous observons chaque fente pour saisir ce comportement en action, la particule en choisit une seule.

Cependant, nous n’observons pas directement ces effets dans la vie quotidienne. Par exemple, mon verre ne peut pas être à deux endroits à la fois, sinon j’aurais du mal à boire. Mais comme nous ne rencontrons pas de choses aussi bizarres, il semblerait logique qu’à une certaine échelle, les choses “passent” du monde étrange des quanta à notre quotidien familier.

Mais quelle est l’échelle à laquelle ce basculement se produit ? Si nous disposions d’une expérience techniquement parfaite, serions-nous en mesure d’observer de grands objets dans ces états de superposition ? C’est la question que pose l’expérience de pensée de Schrödinger, dans laquelle un chat est placé dans une boîte scellée avec un flacon de poison et un seul atome radioactif, qui se désintégrera à un moment aléatoire. Si l’atome se désintègre, le flacon est brisé et le chat est empoisonné ; dans le cas contraire, le chat survit. En attendant que l’atome se désintègre, le chat existe-t-il dans les deux états à la fois comme l’atome ? Nous savons que lorsque nous ouvrons la boîte, nous devons trouver le chat vivant ou mort, mais est-ce une propriété de l’univers ou de l’observateur qui fait que le chat “choisit” son état ?

Revenons à l’équipe qui se prépare à répondre à cette question. Leur proposition consiste à mettre une bactérie plutôt qu’un chat dans un état de superposition. Les récentes avancées techniques basées sur les résonateurs hyperfréquences supraconducteurs – des dispositifs utilisés pour détecter les rayonnements et pour le calcul quantique – ont permis aux physiciens d’observer les effets quantiques dans de minuscules membranes flexibles en aluminium (appelées oscillateurs micromécaniques) couplées aux circuits.

Les membranes minuscules sont considérées comme de grands objets dans le monde de la physique quantique car, même avec une masse de seulement 50 picogrammes (50 trillionièmes de gramme), elles contiennent des centaines de milliards d’atomes. Cependant, ces résonateurs doivent être refroidis à une fraction du zéro absolu (-273°C) avant qu’un comportement quantique n’apparaisse. Sinon, les vibrations thermiques masquent les effets.

L’équipe prévoit de placer une bactérie sur une telle membrane, qui serait ensuite refroidie à son état d’énergie le plus bas. La membrane serait alors placée dans une superposition de deux états de mouvement différents : deux types d’oscillations différents. Ils cherchent à montrer que l’effet de la bactérie sur les propriétés de l’oscillateur serait minime, l’oscillateur se comportant effectivement comme si la bactérie n’était pas là. De cette façon, la bactérie serait effectivement dans deux états de mouvement à la fois. Les chercheurs prévoient également d’associer la position de la bactérie au spin d’un électron à l’intérieur de celle-ci.

L’expérience proposée serait impressionnante – mais surtout pour montrer que la mécanique quantique est valable pour des objets plus grands que les particules subatomiques. Mais il semble peu probable qu’elle permette de répondre à la question de savoir si le chat de Schrödinger peut être vivant et mort en même temps, car la bactérie resterait dans un état constant de cryoconservation semblable à du verre. Si c’était le chat, il existerait en animation suspendue plutôt que dans une superposition de vie et de mort simultanées.

Cet article a été initialement publié par The Conversation. Lire l’article original.