Le prix Nobel de physique 2022 récompense des tests précurseurs d’action effrayante à distance

Le physicien de l’Université Cornell, N. David Mermin, a un jour décrit l’intrication quantique comme « la chose la plus proche de la magie », car cela signifie que des perturbations dans une partie de l’univers peuvent affecter instantanément d’autres parties éloignées de l’univers, contournant d’une manière ou d’une autre la vitesse cosmique de -limite de lumière. Albert Einstein l’a mémorablement surnommé « l’action effrayante à distance ». Aujourd’hui, l’Académie royale des sciences de Suède a décerné à trois physiciens le prix Nobel de physique 2022 pour leurs travaux sur l’intrication. Alain Aspect, John F. Clauser et Anton Zeilinger ont été reconnus « pour leurs expériences avec des photons intriqués, établissant la violation des inégalités de Bell et pionniers de la science de l’information quantique ».

Lorsque des particules subatomiques interagissent, elles peuvent devenir invisiblement connectées même si elles peuvent être physiquement séparées. Ainsi, la connaissance d’un partenaire peut révéler instantanément la connaissance de son jumeau. Si vous mesurez l’état de l’une, vous connaîtrez l’état de l’autre sans avoir à faire une deuxième mesure car la première mesure détermine également les propriétés de l’autre particule.

Les particules peuvent s’emmêler de différentes manières, mais dans tous les cas, les deux particules doivent provenir d’un seul processus « mère ». Par exemple, le passage d’un seul photon à travers un type spécial de cristal peut diviser ce photon en deux nouvelles particules « filles ». Nous les appellerons « vert » et « rouge » (raccourci pour des propriétés de particules plus abstraites comme le spin ou la vitesse). Ces particules seront intriquées. L’énergie doit être conservée, de sorte que les deux particules filles ont une fréquence et une énergie inférieures à celles de la particule mère d’origine, mais l’énergie totale entre elles est égale à l’énergie de la mère. Nous n’avons aucun moyen de savoir lequel est le vert et lequel est le rouge. Nous savons simplement que chaque photon fille a 50 % de chances d’être de l’une ou l’autre couleur. Mais si par hasard nous apercevons l’une des particules et remarquons qu’elle est rouge, nous pouvons immédiatement conclure que l’autre doit être verte.

Une grande partie de cela a été exposée dans un article fondateur de 1935 par Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen, présenté comme une expérience de pensée pour démontrer que la mécanique quantique n’était pas une théorie physique complète. Si le résultat d’une mesure sur une particule d’un système quantique intriqué peut avoir un effet instantané sur une autre particule, quelle que soit la distance des deux parties, on parle de « comportement non local ». Mais cela semble violer l’un des principes centraux de la relativité : l’information ne peut pas être transmise plus rapidement que la vitesse de la lumière car cela violerait la causalité.

Einstein et ses collaborateurs ont eu l’idée approximative que les variables cachées pourraient augmenter la mécanique quantique conventionnelle : des propriétés locales encore inconnues du système qui servent d’instructions cachées « indiquant » aux particules dont le résultat devrait être déterminé dans une expérience donnée. Einstein, Podolsky et Rosen ont fait valoir que cela devrait expliquer l’écart, de sorte qu’aucune action effrayante instantanée ne serait nécessaire. Mais ils n’avaient pas de modèle précis à proposer. Et la communauté des physiciens est devenue convaincue que les variables cachées étaient impossibles.

John Bell, cependant, a remis en question ce rejet des variables cachées après avoir lu les débats houleux autour des implications philosophiques de la mécanique quantique dans les années 1920 et 1930. « J’ai hésité à penser que c’était mal », a-t-il dit un jour, « mais je connaissait c’était pourri. » Bell s’est inspiré de la construction par David Bohm d’une théorie des variables cachées qui semblait parfaitement fonctionner, mais qui avait un coût : la violation de la localité.

Bell a trouvé un moyen de faire la distinction entre les théories qui correspondaient aux prédictions expérimentales de la mécanique quantique et celles qui ne le pouvaient pas et a prouvé que les théories locales ne seraient jamais à la hauteur de la tâche. L’astrophysicien et philosophe Adam Becker a donné un bref résumé de l’importance du travail de Bell plus tôt cette année lors d’une émission Pioneer Works sur le sujet :

Dans l’expérience de pensée EPR, il y avait une corrélation parfaite entre les deux électrons, mais seulement si leurs spins étaient mesurés le long du même axe. Si leurs spins étaient mesurés le long de différents axes – disons l’un le long de l’axe vertical et l’autre le long d’un axe à mi-chemin entre la verticale et l’horizontale – la mécanique quantique prédisait une corrélation imparfaite entre les deux. Et pour certains angles entre ces axes, la corrélation était plus grande que ce qui pouvait être expliqué sans une connexion instantanée à longue distance entre eux.

En bref, Bell avait montré que l’EPR n’avait qu’à moitié raison : le choix n’était pas entre une action effrayante et une mécanique quantique incomplète. Le choix était entre l’action fantasmagorique et la mécanique quantique étant Incorrect. La mécanique quantique a prédit des corrélations instantanées à longue distance. La prédiction pourrait-elle réellement être confirmée en laboratoire ?