L’intrication de deux particules corrélées à distance

L’intrication de deux particules corrélées à distance

Qu’y a-t-il d’étonnant aux particules corrélées de la physique quantique ?

« La renaissance du temps » de Lee Smolin :

« Des paires intriquées sont créées en réunissant deux particules subatomiques et en les forçant à interagir. Une fois intriquées, elles le restent, même si elles se séparent et s’éloignent l’une de l’autre sur une grande distance. Tant qu’aucune d’elles n’interagit avec un autre système, elles continuent à partager les propriétés intriquées… Ceci donne lieu à un indice sur la nature, au niveau quantique, qui est la « non-localité »… Au XXe siècle, nous nous sommes habitués aux interactions physiques ayant une propriété appelée localité, voulant dire que si une informationdevait être transférée d’un lieu à un autre, elle aurait à voyager par le biais d’une particule ou d’une onde. En vertu de la relativité restreinte, n’importe quelle influence était supposée voyager à la vitesse de la lumière ou moins vite. La physique quantique semble violer ce principe fondamental de la relativité restreinte. Les effets non-locaux dans la théorie quantique sont réels, mais ils sont subtils et ne peuvent pas être utilisés pour envoyer de l’information… La propriété que les expérimentateurs mesurent leur apparaît comme étant aléatoire… C’est seulement lorsqu’ils apprennent la propriété de l’une des particules, propriété mesurée mais dont la mesure est aléatoire, qu’ils découvrent que l’autre particule a la propriété opposée… La question qui demeure est comment sont établies les corrélations de la paire de particules… Laissons les expérimentateurs choisir au hasard la propriété qu’ils mesurent sur chaque particule individuelle, et garder une trace des résultats. Ils envoient leurs choix et résultats aux autres expérimentateurs où ils sont comparés. Il s’avère que la seule façon de comprendre les résultats combinés est de supposer qu’il existe des effets non-locaux, par lesquels les propriétés d’une particule sont influencés par les choix de la propriété à mesurer sur l’autre. C’est le contenu d’un théorème prouvé en 1964 par le physicien irlandais John Stewart Bell et démontré par un ensemble correspondant d’expériences astucieuses. »

Qu’est-ce que la non-séparabilité quantique ?

Qu’est-ce que l’intrication quantique ?

L’intrication est un état quantique (voir aussi fonction d’onde) décrivant deux systèmes classiques (ou plus) non factorisables en un produit d’états correspondant à chaque système classique.
Deux systèmes ou deux particules peuvent être intriqués dès qu’il existe une interaction entre eux. En conséquence, les états intriqués sont la règle plutôt que l’exception. Une mesure effectuée sur l’une des particules changera son état quantique selon le postulat quantique de la mesure. Du fait de l’intrication, cette mesure aura un effet instantané sur l’état de l’autre particule, même si la ligne d’univers qui relie les deux évènements "mesure 1" et "mesure 2" de l’espace-temps est une courbe de genre espace ! Par suite, le fait que la mécanique quantique tolère l’existence d’états intriqués, états ayant effectivement été observés en laboratoire et dont le comportement est en accord avec celui prévu par la mécanique quantique (voir l’expérience d’Aspect), implique que la mécanique quantique est une théorie physique non-locale. Néanmoins, il est incorrect d’assimiler ce changement d’état à une transmission d’information plus rapide que la vitesse de la lumière (et donc une violation de la théorie de la relativité). La raison est que le résultat de la mesure relatif à la première particule est toujours aléatoire, dans le cas des états intriqués comme dans le cas des états non-intriqués. Il est donc impossible de « transmettre » quelqu’information que ce soit, puisque la modification de l’état de l’autre particule, pour immédiate qu’elle soit, conduit à un résultat de la mesure relatif à la seconde particule qui est toujours aussi aléatoire que celui relatif à la première particule. Les corrélations entre les mesures des deux particules, bien que très réelles et mises en évidence dans de nombreux laboratoires de par le monde, resteront indétectables tant que les résultats des mesures ne seront pas comparés, ce qui implique nécessairement un échange d’information classique, respectueux de la Relativité (voir aussi le Paradoxe EPR).

La téléportation quantique fait usage de l’intrication pour assurer le transfert de l’état quantique d’un système physique vers un autre système physique. Ce processus est le seul moyen connu de transférer parfaitement l’information quantique. Il ne peut dépasser la vitesse de la lumière et est également « désincarné », en ce sens qu’il n’y a pas de transfert de matière (contrairement à la téléportation fictive de Star Trek).

Cet état ne doit pas être confondu avec l’état de superposition. Un même objet quantique peut avoir deux (ou plus) états superposés. Par exemple un même photon peut être dans l’état "polarité longitudinale" et "polarité transversale" simultanément. Le chat de Schrödinger est simultanément dans l’état "mort" et "vivant". Un photon qui passe une lame semi-réfléchissante est dans l’état superposé "photon transmis" et "photon réfléchi". C’est uniquement lors de l’acte de mesure que l’objet quantique possédera un état déterminé.

Dans le formalisme de la physique quantique, un état d’intrication de plusieurs objets quantique est représenté par un produit tensoriel des vecteurs d’état de chaque objet quantique. Un état de superposition ne concerne qu’un seul objet quantique (qui peut être une intrication), et est représentée par une combinaison linéaire des différentes possibilités d’états de celui-ci.

La corrélation est la mise en commun durable de leur ensemble structure/milieu par deux particules. L’intrication (mélange d’interaction et d’imbrication) est le phénomène qui se produit lorsque deux particules ont interagi et ont d’autant plus une horloge commune qu’elles ont d’avantage en commun (cas ces photons dits jumeaux parce qu’ils ont été émis en même temps dans deux directions différentes par le même source. Le physicien Erwin Schrödinger parlait d’ « emmêlement » à chaque fois que deux particules mettaient en commun leurs états. La décohérence est un phénomène qui explique que le monde que nous connaissons (macroscopique) ne montre pas des phénomènes quantiques du type dualité onde/corpuscule. On dit qu’il est « classique ». Cela provient du fait que dans la matière, il n’y a ni atome ni particule isolées. Les multiples messages entre atomes proches perturbent en permanence les interactions entre un corpuscule et son milieu. Les « apparitions » et « disparitions » qui semblaient des miracles absurdes de la quantique à tous ceux qui refusent le fonctionnement « par révolutions » de la matière sont fondés sur l’inséparabilité entre corpuscule et agitation autour du corpuscule d’un milieu (vide et autres corpuscules). Ils sont supprimés, laissant place au niveau classique de la matière à grande échelle, si on supprime l’un des deux (corpuscule ou agitation du vide). Si le milieu agité autour du corpuscule est perturbé, on ne voit plus le phénomène quantique d’interaction entre les deux. Les « apparitions » et « disparitions » qui semblaient des miracles absurdes de la quantique à tous ceux qui refusent le fonctionnement « par révolutions » de la matière.

La physique quantique a buté pendant de longues années sur toutes les tentatives de considérer les particules comme des objets indépendants du vide (considéré comme l’absence d’énergie, de matière et de rayonnement) et séparables les uns des autres. Les nouvelles notions de la physique (quanta, corrélation, intrication, décohérence) sont au contraire fondées sur la reconnaissance qu’il n’existe aucune « chose » dans la matière mais seulement des processus dynamiques de structuration et déstructuration qui sont interactifs.

Intrication et effet Josephson

Laboratoire de physique de l’université de Genève, été 2008. Dans une salle obscure du sous-sol, deux photons jumeaux, minuscules flashs de lumière, sont émis simultanément par la même source. A 200 000 km/s, leurs routes se séparent lorsqu’ils s’engagent dans deux fibres optiques connectées au réseau téléphonique suisse. L’un file en direction de l’ouest, l’autre fonce à l’est. Après un voyage éclair de 17 km à travers leurs fibres, les photons arrivent très exactement en même temps à leurs destinations respectives, dans deux laboratoires improvisés au sein de stations relais de l’opérateur Swisscom. Les dispositifs imaginés par les physiciens suisses proposent alors à chacune des deux particules de lumière de faire un choix (infographie ->). Et c’est ici que la magie opère : alors qu’ils n’ont aucune possibilité de se "concerter", les deux photons font en même temps exactement le même choix ! Ils semblent agir par télépathie, instantanément, malgré les kilomètres qui les séparent ! Pour qui assiste à l’expérience, le phénomène a quelque chose de fou. Un phénomène proprement quantique, bien connu des physiciens sous le nom d’intrication.

L’inséparabilité quantique se manifeste même si les deux photons sont éloignés l’un de l’autre et qu’aucune interaction n’a le temps de se propager de l’un à l’autre (sauf si elle se propageait à une vitesse supérieure à celle de la lumière, ce qui est exclu par la relativité). Dans les expériences de 1982, les photons étaient séparés d’une dizaine de mètres au moment de la mesure, ce qui suffisait déjà à établir la séparation relativiste, et qui permettait une modification de l’orientation des analyseurs de polarisation pendant le temps de vol des photons. Dans les expériences récentes, des sources d’un nouveau type permettent d’injecter les photons intriqués dans deux fibres optiques partant dans des directions opposées, et l’inséparabilité a pu être vérifiée à des distances de plusieurs dizaines de kilomètres. Même à de pareilles distances, tout se passe donc comme si les deux photons restaient toujours en contact, et si le résultat de la mesure effectuée sur l’un affectait instantanément l’autre. Cela semble contradictoire avec le principe de causalité relativiste qui spécifie qu’aucune interaction ne peut se propager plus vite que la lumière. En fait, il n’y a pas violation de la causalité au sens opérationnel, c’est-à-dire qu’on ne peut utiliser la non-séparabilité quantique pour transmettre plus vite que la lumière un signal ou une information utilisable, et l’intrication quantique ne permet donc pas la « télégraphie supraluminale » chère aux auteurs de science-fiction. Cela ne veut pourtant pas dire qu’elle ne peut avoir d’applications, comme on le verra plus loin. Cela ne veut pas dire non plus que les problèmes conceptuels posés par les propriétés troublantes des états intriqués soient résolus, et les physiciens sont loin d’avoir atteint un consensus sur la façon de comprendre l’inséparabilité quantique. Nul ne peut dire aujourd’hui si les progrès viendront de nouvelles expériences, de percées théoriques ou de ruptures épistémologiques.

Le phénomène d’intrication (voir infographie ci-contre) revient à dire que deux particules arrivent à communiquer "instantanément", c’est-à-dire plus vite que la vitesse de la lumière ! Comme si l’information était "téléportée". Prédit par la théorie depuis les années 1930, ce phénomène semblait impossible. Et pourtant... Il est testé avec succès depuis les années 1980 ! Pour s’assurer que le phénomène fonctionne dans chaque direction de l’espace, l’équipe de Nicolas Gisin (ci-contre), à l’université de Genève, a répété l’expérience sur 24 heures -donc pendant toute une rotation terrestre- entre deux villages suisses. Avec succès : si la téléportation a une vitesse, elle est, d’après expérience, d’au moins 100 000 fois celle de la lumière. Pour Nicolas Gisin, c’est donc comme si la corrélation entre les deux particules "surgissait depuis l’estérieur de l’espace-temps".

En physique quantique, deux photons intriqués ne font qu’un.

Quand deux particules interagissent, elles se "mélangent" comme deux ondes pour n’en former qu’une seule. Lorsqu’elles se séparent, elles ne forment toujours qu’un seul et même système, quelle que soit la distance qui les sépare ! Du coup, lorsqu’on mesure une caractéristique d’une particule 1, la particule 2 intriquée adopte immédiatement la même valeur, même à grande distance !

Merveilles de la mécanique quantique

L’intrication quantique

Qu’est-ce que l’intrication quantique

Effet d’intrication dans l’effet Hall quantique fractionnaire

Intrication et expériences EPR

Expérience d’Alain Aspect sur l’intrication quantique

Une vidéo