L'intrication quantique demeure l'un des domaines d'études les plus difficiles pour les physiciens modernes. Décrite par Einstein comme «une action effrayante à distance», les scientifiques ont longtemps cherché à concilier comment cet aspect de la mécanique quantique peut coexister avec la mécanique classique. Essentiellement, le fait que deux particules puissent être connectées sur de grandes distances viole les règles de localité et de réalisme.
Formellement, il s'agit d'une violation de l'inégalité de Bell, une théorie qui a été utilisée pendant des décennies pour montrer que la localité et le réalisme sont valides malgré leur incompatibilité avec la mécanique quantique. Cependant, dans une étude récente, une équipe de chercheurs de l'Université Ludwig-Maximilian (LMU) et de l'Institut Max Planck pour l'optique quantique de Munich a effectué des tests qui, une fois de plus, violent l'inégalité de Bell et prouvent l'existence d'un enchevêtrement.
Leur étude, intitulée «Test de cloche prêt à l'emploi utilisant des atomes intriqués fermant simultanément les failles de détection et de localisation», a récemment été publiée dans le Lettres d'examen physique. Dirigée par Wenjamin Rosenfeld, physicien au LMU et au Max Planck Institute for Quantum Optics, l'équipe a cherché à tester l'inégalité de Bell en empêtrant deux particules à distance.
L'inégalité de Bell (du nom du physicien irlandais John Bell, qui l'a proposé en 1964) affirme essentiellement que les propriétés des objets existent indépendamment de l'observation (réalisme), et qu'aucune information ou influence physique ne peut se propager plus rapidement que la vitesse de la lumière (localité). Ces règles décrivaient parfaitement la réalité que nous vivons quotidiennement, où les choses sont enracinées dans un espace et un temps particuliers et existent indépendamment d'un observateur.
Cependant, au niveau quantique, les choses ne semblent pas suivre ces règles. Non seulement les particules peuvent être connectées de manière non locale sur de grandes distances (c'est-à-dire enchevêtrement), mais les propriétés de ces particules ne peuvent pas être définies jusqu'à ce qu'elles soient mesurées. Et tandis que toutes les expériences ont confirmé que les prédictions de la mécanique quantique sont correctes, certains scientifiques ont continué à affirmer qu'il existe des failles qui permettent le réalisme local.
Pour y remédier, l'équipe de Munich a mené une expérience dans deux laboratoires du LMU. Alors que le premier laboratoire était situé dans le sous-sol du département de physique, le second était situé dans le sous-sol du département d'économie - à environ 400 mètres. Dans les deux laboratoires, les équipes ont capturé un seul atome de rubidium dans un piège topique, puis ont commencé à les exciter jusqu'à ce qu'elles libèrent un seul photon.
Comme l'explique le Dr Wenjamin Rosenfeld dans un communiqué de presse du Max Planck Institute:
«Nos deux stations d'observation fonctionnent indépendamment et sont équipées de leurs propres systèmes laser et de contrôle. En raison de la distance de 400 mètres entre les laboratoires, la communication de l'un à l'autre prendrait 1328 nanosecondes, ce qui est bien plus que la durée du processus de mesure. Ainsi, aucune information sur la mesure dans un laboratoire ne peut être utilisée dans l'autre laboratoire. C’est ainsi que nous éliminons l’échappatoire de la localité. »
Une fois que les deux atomes de rubidium ont été excités au point de libérer un photon, les états de spin des atomes de rubidium et les états de polarisation des photons ont été effectivement enchevêtrés. Les photons ont ensuite été couplés dans des fibres optiques et guidés vers une configuration où ils ont été mis en interférence. Après avoir effectué une série de mesures pendant huit jours, les scientifiques ont pu collecter environ 10 000 événements pour vérifier les signes d'enchevêtrement.
Cela aurait été indiqué par les spins des deux atomes de rubidium piégés, qui pointeraient dans la même direction (ou dans la direction opposée, selon le type d'enchevêtrement). L'équipe de Munich a découvert que pour la grande majorité des événements, les atomes étaient dans le même état (ou dans l'état opposé) et qu'il n'y avait que six écarts compatibles avec l'inégalité de Bell.
Ces résultats étaient également statistiquement plus significatifs que ceux obtenus par une équipe de physiciens néerlandais en 2015. Pour les besoins de cette étude, l'équipe néerlandaise a mené des expériences utilisant des électrons dans des diamants dans des laboratoires distants de 1,3 km. En fin de compte, leurs résultats (et d'autres tests récents de l'inégalité de Bell) ont démontré que l'intrication quantique est réelle, fermant ainsi efficacement la faille du réalisme local.
Comme l'a expliqué Wenjamin Rosenfeld, les tests effectués par son équipe ont également dépassé ces autres expériences en abordant un autre problème majeur. "Nous avons pu déterminer l'état de spin des atomes très rapidement et très efficacement", a-t-il déclaré. "Nous avons ainsi fermé une deuxième faille potentielle: l'hypothèse que la violation observée est causée par un échantillon incomplet de paires d'atomes détectés".
En obtenant la preuve de la violation de l'inégalité de Bell, les scientifiques aident non seulement à résoudre une incongruité durable entre la physique classique et la physique quantique. Ils ouvrent également la porte à des possibilités intéressantes. Par exemple, pendant des années, les scientifiques ont anticipé le développement de processeurs quantiques, qui s'appuient sur des enchevêtrements pour simuler les zéros et ceux du code binaire.
Les ordinateurs qui s'appuient sur la mécanique quantique seraient exponentiellement plus rapides que les microprocesseurs conventionnels, et inaugureraient une nouvelle ère de recherche et développement. Les mêmes principes ont été proposés pour la cybersécurité, où le chiffrement quantique serait utilisé pour chiffrer les informations, les rendant invulnérables pour les pirates informatiques qui utilisent des ordinateurs conventionnels.
Enfin et surtout, il y a le concept de Quantum Entanglement Communications, une méthode qui nous permettrait de transmettre des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière. Imaginez les possibilités de voyage dans l'espace et d'exploration si nous ne sommes plus liés par les limites de la communication relativiste!
Einstein n'avait pas tort quand il a qualifié les enchevêtrements quantiques d '«action effrayante». En effet, la plupart des implications de ce phénomène sont toujours aussi effrayantes que fascinantes pour les physiciens. Mais plus nous nous rapprochons de sa compréhension, plus nous serons proches de développer une compréhension de la façon dont toutes les forces physiques connues de l'Univers s'emboîtent - alias. une théorie de tout!
