Les prédictions de la mécanique quantique sont parfois difficiles à relier à des idées sur le monde classique. Alors que la position et l'impulsion d'une particule classique peuvent être mesurées simultanément, dans le cas quantique, vous ne pouvez connaître que la probabilité de trouver une particule dans un état ou un autre. De plus, la théorie quantique affirme que lorsque deux systèmes sont intriqués, la mesure de l'état de l'un d'eux affecte instantanément l'autre. En 2015, trois groupes de physiciens ont fait des progrès significatifs dans la compréhension de la nature de l'intrication quantique et de la téléportation. Physics Today et Lenta.ru parlent des réalisations des scientifiques.
Albert Einstein n'était pas d'accord avec l'interprétation probabiliste de la mécanique quantique. C'est à ce propos qu'il a dit que «Dieu ne joue pas aux dés» (ce à quoi le physicien danois Niels Bohr a répondu plus tard qu'il n'appartenait pas à Einstein de décider quoi faire de Dieu). Le scientifique allemand n'a pas accepté l'incertitude inhérente au micromonde et a considéré le déterminisme classique comme correct. Le créateur de la théorie générale de la relativité croyait que lors de la description du micromonde, la mécanique quantique ne prend pas en compte certaines variables cachées, sans lesquelles la théorie quantique elle-même est incomplète. Le scientifique a suggéré de rechercher des paramètres cachés lors de la mesure d'un état quantique avec un appareil classique: ce processus implique un changement du premier par le second, et Einstein a considéré qu'il était possible d'expérimenter là où il n'y avait pas de tel changement.
Depuis lors, les scientifiques tentent de déterminer s'il existe des variables cachées en mécanique quantique ou s'il s'agissait de l'invention d'Einstein. Le problème des variables cachées a été formalisé en 1964 par le physicien théoricien britannique John Bell. Il a proposé l'idée d'une expérience dans laquelle la présence de tout paramètre caché dans le système peut être découverte en effectuant une analyse statistique d'une série d'expériences spéciales. L'expérience était comme ça. Un atome a été placé dans un champ externe, émettant simultanément une paire de photons, qui se sont diffusés dans des directions opposées. La tâche des expérimentateurs est d'effectuer de multiples mesures de la direction des spins photoniques.
Cela permettrait de collecter les statistiques nécessaires et, à l'aide des inégalités de Bell, qui sont une description mathématique de la présence de paramètres cachés en mécanique quantique, de vérifier le point de vue d'Einstein. La principale difficulté résidait dans la mise en œuvre pratique de l'expérience, que les physiciens ont réussi à reproduire plus tard. Les chercheurs ont montré qu'il n'y a probablement pas de paramètres cachés en mécanique quantique. Dans l'intervalle, il y avait deux failles dans la théorie (localisation et détection) qui pourraient prouver qu'Einstein avait raison. En général, il y a plus d'échappatoires. Les expériences de 2015 les ont fermées et ont confirmé qu'il n'y a probablement pas de réalisme local dans le microcosme.
"Action effrayante" entre Bob et Alice
Image: JPL-Caltech / NASA
Nous parlons des expériences de trois groupes de physiciens: de l'Université technique de Delft aux Pays-Bas, de l'Institut national des normes et de la technologie aux États-Unis et de l'Université de Vienne en Autriche. Les expériences des scientifiques ont non seulement confirmé l'exhaustivité de la mécanique quantique et l'absence de paramètres cachés, mais ont également ouvert de nouvelles possibilités de cryptographie quantique - une méthode de cryptage de l'information (la protégeant) utilisant l'intrication quantique utilisant des protocoles quantiques - et ont conduit à la création d'algorithmes incassables pour générer nombres aléatoires.
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L'intrication quantique est un phénomène dans lequel les états quantiques des particules (par exemple, le spin d'un électron ou la polarisation d'un photon), séparés par une distance les uns des autres, ne peuvent être décrits indépendamment. La procédure de mesure de l'état d'une particule conduit à un changement d'état d'une autre. Dans une expérience typique sur l'intrication quantique, des agents interagissants espacés - Alice et Bob - possèdent chacun une particule (photons ou électrons) d'une paire de particules intriquées. La mesure d'une particule par l'un des agents, par exemple Alice, est en corrélation avec l'état de l'autre, bien qu'Alice et Bob ne soient pas au courant à l'avance des manipulations de l'autre.
Cela signifie que les particules stockent en quelque sorte des informations les unes sur les autres et ne les échangent pas, par exemple, à la vitesse de la lumière à l'aide d'une interaction fondamentale connue de la science. Albert Einstein l'a appelé «action effrayante à distance». Les particules enchevêtrées violent le principe de localité, selon lequel l'état d'un objet ne peut être influencé que par son environnement immédiat. Cette contradiction est associée au paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen (suggérant l'incomplétude susmentionnée de la mécanique quantique et la présence de paramètres cachés) et constitue l'une des principales difficultés conceptuelles (qui, cependant, n'est plus considérée comme un paradoxe) de la mécanique quantique (du moins dans son interprétation de Copenhague).
Schéma de l'expérience des scientifiques néerlandais
Photo: arXiv.org
Les partisans du réalisme local soutiennent que seules les variables locales peuvent affecter les particules, et la corrélation entre les particules d'Alice et de Bob est effectuée en utilisant une méthode cachée que les scientifiques ne connaissent toujours pas. La tâche des scientifiques était de réfuter expérimentalement cette possibilité, notamment pour empêcher la propagation d'un signal caché d'un agent à un autre (en supposant qu'il se déplace à la vitesse de la lumière dans le vide - le maximum possible dans la nature), et ainsi montrer qu'un changement de l'état quantique de la seconde particule s'est produit avant que le signal latent de la première particule n'atteigne la seconde.
En pratique, cela signifie placer Bob et Alice à une distance considérable l'un de l'autre (au moins des dizaines de mètres). Cela évite la propagation de tout signal sur un changement d'état de l'une des particules avant de mesurer l'état de l'autre (localisation trap). Pendant ce temps, l'imperfection de la détection de l'état quantique de particules uniques (en particulier les photons) laisse place à une faille d'échantillonnage (ou de détection). Pour la première fois, des physiciens de l'Université de technologie de Delft ont réussi à éviter deux difficultés à la fois.
Dans l'expérience, nous avons utilisé une paire de détecteurs de diamant avec un séparateur de signal entre eux. Les scientifiques ont pris une paire de photons non intriqués et les ont dispersés dans différents espaces. Ensuite, chacun des électrons a été enchevêtré avec une paire de photons, qui ont ensuite été déplacés vers le troisième espace. Au cours des expériences, il a été possible d'observer qu'un changement d'état (spin) de l'un des électrons affectait l'autre. En seulement 220 heures (sur 18 jours), les physiciens ont testé l'inégalité de Bell 245 fois. Les quantités d'électrons observées ont été mesurées à l'aide de faisceaux laser.
Dans l'expérience, il a été possible de mesurer les états quantiques de particules séparées par une distance d'environ 1,3 kilomètre et de montrer la validité de l'inégalité de Bell (c'est-à-dire la validité de la théorie quantique et l'erreur du concept de réalisme local). Les résultats de cette étude sont publiés dans la revue Nature. Ses auteurs devraient avoir un prix Nobel de physique.
Position des détecteurs dans l'expérience néerlandaise
Photo: arXiv.org
Des équipes des États-Unis et d'Autriche ont expérimenté les photons. Ainsi, les scientifiques de l'Institut national des normes et de la technologie ont pu battre le record de la distance de téléportation quantique (transmission de l'état quantique d'un système sur une distance) sur un câble à fibre optique, en la réalisant à une distance de 102 kilomètres. Pour ce faire, les scientifiques ont utilisé quatre détecteurs à photon unique créés dans le même institut sur la base de nanofils supraconducteurs (refroidis à moins 272 degrés Celsius) en molybdène siliceux. Seul un pour cent des photons a parcouru une distance de 102 kilomètres. Le précédent record de distance de téléportation quantique sur fibre était de 25 kilomètres (à titre de comparaison: le record de distance de téléportation quantique dans les airs était de 144 kilomètres).
Les scientifiques autrichiens ont utilisé des capteurs plus efficaces que les capteurs américains, mais la résolution temporelle dans les expériences des physiciens américains est beaucoup plus élevée. Contrairement aux physiciens néerlandais, dont la configuration a enregistré environ un événement par heure, les scientifiques des États-Unis et d'Autriche ont pu effectuer plus d'un millier de tests par seconde, ce qui élimine pratiquement toute corrélation fortuite dans les résultats expérimentaux.
Les scientifiques tentent actuellement d'améliorer l'efficacité des expériences - elles transportent des particules à des distances toujours plus grandes et augmentent la fréquence de mesure. Malheureusement, l'allongement du canal optique entraîne une perte de la fraction de particules détectées et actualise à nouveau le danger d'une faille de détection. Les scientifiques de l'Institut national des normes et de la technologie tentent de lutter contre cela en utilisant un générateur de nombres aléatoires quantiques dans des expériences. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de transporter des photons sur de longues distances, et la technologie créée sera utile en cryptographie quantique.
Andrey Borisov
