Au cours du dernier siècle et demi, le développement de l’humanité a fait un bond en avant, en particulier dans le domaine de la physique fondamentale. À peine les scientifiques se sont-ils plongés dans la physique de l’atome que des centrales nucléaires ont commencé à être construites ; la révolution scientifique d’Einstein nous a bientôt amenés à une mondialisation complète avec plus d’un millier de satellites en orbite autour de la Terre. Les exemples sont nombreux, mais il reste encore beaucoup de problèmes non résolus et de phénomènes inexpliqués. L’un de ces phénomènes est caché dans le microcosme des processus quantiques, à savoir l’intrication quantique. Nous allons voir dans cet article ce qu’il en est, pourquoi c’est important et quelles sont les recherches en cours pour résoudre ce problème.
Table des matières
Informations de base
Tout d’abord, définissons le concept même d'»intrication quantique». Toutes les informations relatives à un objet dans le microcosme sont décrites par un état (mathématique) abstrait, qui comprend, par exemple, la probabilité de détection d’une particule dans un volume donné, la quantité de mouvement d’une particule, sa charge ou son spin, etc. Un tel «état» peut être décrit par des équations physiques qui, malgré leur abstraction et leur complexité, sont toujours capables de prédire les résultats des expériences.
L’intrication quantique est un phénomène qui se produit lorsque les états quantiques de deux particules ou plus sont interconnectés. En d’autres termes, après avoir déterminé l’état d’une particule, il est possible de prédire certaines caractéristiques d’une autre particule. Il convient de noter que la modification d’un paramètre d’une particule entraîne la modification d’un paramètre d’une autre particule, quelle que soit la distance.
Contradiction avec le «principe de localité»
Comme le montrent les travaux d’Einstein, il existe dans la nature ce que l’on appelle le «principe de localité», selon lequel toute interaction entre des corps ne peut se produire instantanément, mais est transmise par un intermédiaire. La vitesse de transmission de cette interaction ne doit pas dépasser la vitesse de la lumière dans le vide. En même temps, comme nous l’avons déjà mentionné, l’intrication quantique peut être observée à de très grandes distances avec une «transmission instantanée de l’information», ce qui constitue une violation directe du principe de localité.
Einstein, Niels Bohr et la mécanique quantique
En 1927, le cinquième congrès Solvay — une conférence internationale sur des problèmes d’actualité en physique et en chimie — s’est tenu à Bruxelles. L’une des discussions porte sur l’interprétation dite de Copenhague de la mécanique quantique.
Niels Bohr et Albert Einstein
Cette théorie, développée par Niels Bohr et Werner Heisenberg, affirme la nature probabiliste de la fonction d’onde. Bien qu’elle résolve certains problèmes de la physique de l’époque, comme ceux liés au dualisme corpuscule-onde, cette théorie soulève également un certain nombre de questions. Tout d’abord, l’idée même qu’un objet dont l’élan est connu n’a pas de coordonnées définies, mais seulement une probabilité de détection en un point donné, contredit notre expérience de la vie dans le macromonde. En outre, cette théorie impliquait une incertitude quant à la localisation de la particule jusqu’à ce qu’une mesure soit effectuée.
Photo commune des participants au cinquième congrès Solvay
Albert Einstein ne pouvait accepter cette interprétation, d’où sa célèbre phrase «Dieu ne joue pas aux dés», à laquelle Niels Bohr a répondu «Albert, ne dis pas à Dieu ce qu’il doit faire». C’est ainsi qu’a commencé la longue dispute entre Einstein et Bohr.
La réponse d’Einstein est venue en 1935, lorsqu’il a publié, avec Boris Podolsky et Nathan Rosen, un article intitulé «La description de la réalité physique par la mécanique quantique peut-elle être considérée comme complète ? Cet article présentait une expérience de pensée appelée paradoxe d’Einstein-Podolsky-Rosen (paradoxe EPR).
Paradoxe EPR
L’expérience visait à réfuter une affirmation aussi fondamentale pour la mécanique quantique que le principe d’incertitude d’Heisenberg, qui stipule qu’il est impossible de mesurer deux caractéristiques d’une particule en même temps, ce qui signifie souvent la quantité de mouvement et les coordonnées.
Le paradoxe EPR est le suivant. Supposons que deux particules de même nature soient formées par la désintégration d’une troisième particule. La somme de leurs quantités de mouvement sera alors égale à la quantité de mouvement de la particule d’origine, conformément à la loi de conservation de la quantité de mouvement. Ensuite, connaissant l’impulsion de la particule initiale (qui sera préparée à l’avance par les expérimentateurs) et ayant mesuré l’impulsion de la deuxième particule, nous pouvons calculer l’impulsion de la première particule. En d’autres termes, le résultat de la mesure nous a permis d’obtenir une caractéristique de la première particule telle que la quantité de mouvement. Mesurons maintenant les coordonnées de la deuxième particule, et nous aurons ainsi deux caractéristiques mesurées d’une seule particule, ce qui contredit directement le principe d’incertitude d’Heisenberg.
Cependant, la mécanique quantique elle-même offre des moyens de résoudre ce paradoxe. Selon les lois du monde quantique, toute mesure entraîne un changement des caractéristiques du corps mesuré. Ainsi, avant la mesure des coordonnées de la deuxième particule, il peut y avoir un certain élan. Mais au moment de la mesure de la coordonnée, l’état de la particule change et il est impossible d’affirmer que ces caractéristiques ont été mesurées simultanément.
Néanmoins, en raison de la dualité onde-corpuscule, étant à une certaine distance, ces particules émergées ont des états décrits par une seule fonction d’onde. Il s’ensuit que la mesure (et donc le changement) de la quantité de mouvement d’une particule entraîne la mesure de la quantité de mouvement de l’autre. De plus, il n’est pas interdit d’augmenter la distance entre ces particules, ce qui contredit à nouveau le principe de localité.
Théorème de Bell
Il est difficile pour un homme, qui a vécu toute son histoire à l’échelle du macrocosme, de comprendre les lois de la mécanique quantique, qui contredisent souvent les observations faites dans le macrocosme. C’est ainsi qu’est née la théorie des paramètres cachés, selon laquelle l’interaction à longue portée entre les particules, mentionnée précédemment, peut être causée par la présence de certains paramètres initialement cachés des particules. En termes simples, la mesure d’une particule n’entraîne pas de changement d’état d’une autre particule, et ces deux états sont apparus en même temps que ces particules, au moment de la désintégration de la particule initiale. Une telle explication intuitive satisferait l’esprit humain.
En 1964, John Stuart Bell a formulé ses inégalités, appelées plus tard le théorème, qui nous permettent de réaliser une expérience nous permettant de déterminer avec précision s’il existe des paramètres cachés. En d’autres termes, si les particules avaient des paramètres cachés avant leur séparation, une inégalité serait remplie, et si leurs états sont liés et incertains avant la mesure de l’une des particules, une autre inégalité de Bell serait remplie.
En 1972, une expérience similaire a été menée par Friedman et Clauser, et les résultats ont indiqué l’existence d’une incertitude des états avant la mesure. Cependant, ce phénomène a été perçu par la communauté scientifique comme une sorte d’embarras, qui sera résolu tôt ou tard. Cependant, en 1981, le second coup porté à la théorie physique a été l’expérience d’Allen Aspe. Cette expérience très populaire est devenue le dernier argument en faveur de l’existence de l’intrication quantique et de ce que l’on appelle «l’action étrange à longue portée». Bien qu’il n’ait pas été possible de mettre un terme définitif à cette question, les résultats ont été si convaincants que les scientifiques ont dû accepter cette caractéristique du monde quantique.
Recherche sur l’intrication quantique
Pourquoi ce sujet connu depuis longtemps revient-il sur le tapis ? Le fait est que ces dernières années, les développements dans le domaine des ordinateurs quantiques fonctionnant sur la base de l’intrication quantique ont fait un grand pas en avant. Ainsi, en mars 2018, Google a annoncé la création réussie d’un processeur quantique de 72 qubits appelé Bristlecone, qui atteint la «suprématie quantique». C’est-à-dire qu’il est capable d’effectuer des tâches qui sont hors de portée des ordinateurs conventionnels.
Le processeur quantique Bristlecone de Google (à gauche) et une représentation schématique des qubits, où chaque qubit est connecté à ses voisins (à droite).
Au cours de l’été 2018, la revue Nature a également publié un article de recherche décrivant la création du premier processeur quantique doté d’une mémoire à long terme. Auparavant, en 2015, le même groupe de recherche de l’université de technologie de Delft, ainsi que le directeur de l’organisation QUTech, Ronald Hanson, avaient présenté des preuves encore plus convaincantes de l’existence de l’intrication quantique.
À propos de l’expérience menée à l’université de technologie de Delft
L’expérience, dont les résultats ont été publiés en 2015, s’est déroulée comme suit. L’expérience a utilisé des feuilles de diamant avec un réseau de cavités remplies d’azote. Cette technologie a été développée par des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara et du Lawrence National Laboratory à Berkeley en 2010. Deux cristaux de diamant de ce type ont été placés à une distance de 1,3 km l’un de l’autre. Après irradiation des deux plaques par des micro-ondes et des lasers, les électrons de ces «pièges à diamants» sont entrés dans un état d’excitation et ont émis une paire de photons qui ont interagi l’un avec l’autre. Cette interaction a eu pour conséquence de créer un enchevêtrement quantique entre les électrons qui ont émis ces photons.
Emplacement des feuilles de diamant sur le campus de l’université de technologie de Delft
Pour détecter ce phénomène, les scientifiques ont mesuré les spins des électrons de différentes plaques presque simultanément, ce qui ne permettrait pas l’échange d’informations entre eux à la vitesse de la lumière. Cependant, il s’est avéré que les spins des deux électrons étaient synchronisés, ce qui suggère que l’information est transférée d’une manière qui permet de dépasser la vitesse de la lumière. Bien entendu, la procédure de caractérisation des électrons elle-même est beaucoup plus compliquée et a nécessité de nombreux calculs et la comparaison de leurs fonctions d’onde. Malgré toute la complexité de l’expérience, celle-ci a été réalisée 245 fois en 18 jours et a été planifiée de manière à éviter toutes les erreurs possibles, tant au niveau des instruments de mesure que de l’environnement.
Bas Hensen et Ronald Hanson installent l’équipement pour l’expérience visant à tester les inégalités de Bell.
Une expérience majeure qui sera menée au Massachusetts Institute of Technology au cours des trois prochaines années permettra de clore ce sujet. L’équipe de recherche prévoit de collecter le rayonnement électromagnétique des pulsars, ainsi que la lumière provenant de galaxies lointaines. Une telle expérience évitera toute connexion entre les instruments de mesure et les sources de signaux, éliminant ainsi la dernière possibilité de paramètres cachés.
Représentation schématique d’un pulsar
Ordinateur quantique et internet
Les développements de QUTech sont allés bien au-delà de la physique théorique et se sont rapprochés d’un ordinateur quantique. Ainsi, en 2012, plusieurs groupes scientifiques ont développé un processeur quantique à deux qubits basé sur les cristaux susmentionnés et, en 2018, un article a été publié dans lequel les chercheurs décrivaient le processeur quantique à mémoire à long terme qu’ils avaient créé. Le problème de la création d’un tel processeur était que les connexions entre les bits quantiques («qubits») disparaissaient plus rapidement que les scientifiques n’étaient en mesure de les détecter. Une autre expérience menée à l’université de technologie de Delft a montré que le nouveau processeur ne présentait pas ce problème.
L’équipe de recherche a utilisé les plaques de diamant susmentionnées, où parmi les atomes de carbone se cachent des atomes d’azote. L’endroit où se trouve l’atome d’azote a des propriétés spécifiques, comme si dans cette cellule du réseau cristallin se trouvait un atome de carbone, mais dans un certain état «gelé». Cette approche permet de prolonger considérablement la durée de vie des qubits de diamant (300-500 millisecondes). En outre, une nouvelle méthode d'»enchevêtrement» des électrons dans ces points défectueux a également été mise au point.
Cette technologie ne constitue pas seulement une percée dans le domaine des ordinateurs quantiques, elle nous rapproche également de l’internet quantique. L’interaction de plusieurs ordinateurs quantiques individuels permettra d’organiser un réseau entre eux, fonctionnant grâce à la transmission de qubits intriqués. L’avantage est la rapidité : il y a k ordinateurs quantiques, chacun composé de n qubits. Pour transmettre l’état complet d’un de ces ordinateurs sur un réseau conventionnel, il faudrait 2n bits de données, alors qu’un réseau quantique ne nécessiterait que n qubits. L’intrication entre tous les ordinateurs à l’échelle de l’ensemble du réseau confère un avantage de plusieurs ordres de grandeur à la vitesse de transfert de l’information.
Conclusion
Bien que le monde quantique ait suscité de nombreux débats dans le monde entier, l’intrication quantique est désormais un phénomène reconnu qui est non seulement observé expérimentalement, mais aussi utilisé dans des processus technologiques. D’autres applications de l’intrication quantique pourraient amener l’humanité à un niveau de développement très différent, avec des superordinateurs et un internet d’une rapidité inimaginable.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023