Le prix Nobel de physique 2022 décerné à trois physiciens pour leurs travaux sur l’intrication quantique
La physique devient étrange dans le petit monde des atomes et des particules. Les lauréats du prix Nobel de physique de cette année ont exploré »l’intrication quantique » avec des photons afin d’ouvrir un large éventail d’applications potentielles.
Image d’entête : une représentation de l’intrication quantique. (Johan Jarnestad/ Académie royale des sciences de Suède)
Par exemple, les progrès de l’informatique quantique devraient révolutionner la manière dont nous traitons l’information.
Selon l’un des lauréats du prix Nobel (qui se partageront un tiers du prix d’un million de dollars), Anton Zeilinger, 77 ans, professeur de physique à l’université de Vienne, en Autriche, a déclaré à la BBC :
J’ai toujours été intéressé par la mécanique quantique, dès les premières lectures que j’en ai faites. Et j’ai en fait été frappé par certaines des prédictions théoriques parce qu’elles ne correspondaient pas aux intuitions habituelles que l’on pouvait avoir.
L’intrication quantique, appelée par Einstein « action fantôme à distance », est un effet bizarre où les états de deux particules « intriquées » sont liés, quelle que soit la distance qui les sépare.
Mais aucune particule n’existe dans un seul état. La position, la quantité de mouvement et les autres observables physiques de chaque particule sont indéterminées jusqu’à ce qu’elles soient mesurées. En d’autres termes, elles vivent dans ce que l’on appelle une « superposition » d’états à la fois. Ce n’est qu’une fois mesurée que la particule « s’effondre » dans un état unique. L’état dans lequel la particule s’effondre est déterminé par la probabilité qu’elle se trouve dans cet état.
Imaginez deux balles normales comme substituts des particules. L’une est blanche, l’autre est noire. Une machine envoie les boules dans des directions opposées à deux personnes (appelons-les Alice et Bob). Si Bob attrape la balle noire, il sait immédiatement qu’Alice a la balle blanche. C’est ce que l’on appelle la description des « variables cachées » : les boules contiennent des informations « cachées » sur la couleur à montrer.
Cependant, en mécanique quantique, les deux boules sont grises lorsqu’elles sont éjectées de la machine. Ce n’est qu’une fois attrapées qu’une boule devient blanche et l’autre noire.
Ces deux descriptions, mécanique quantique et variables cachées, peuvent être testées pour déterminer laquelle est correcte.
En 1997, l’équipe de Zeilinger a créé une paire de particules intriquées, A et B. En tirant la paire dans des directions opposées, la particule A rencontre une troisième particule, C. En s’emmêlant avec la nouvelle particule, A et C se retrouvent dans un nouvel état partagé. Bien que la particule C ait perdu son caractère unique, ses propriétés d’identification sont transférées à la particule B par son enchevêtrement/ intrication avec la particule A.
Cet étonnant effet est appelé transport quantique (quantum transportation) et il n’est pas compatible avec l’approche de la « variable cachée ».
Zeilinger et ses collègues ont été les premiers à réaliser des expériences de ce type.
Les expériences de transport quantique de Zeilinger s’appuient sur des travaux théoriques réalisés plusieurs décennies auparavant.
En 1964, le physicien John Stewart Bell a rédigé une étude en réponse à un document de recherche de 1935 cosigné par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen. L’étude de 1935 présentait un paradoxe pour soutenir que la physique quantique est une théorie « incomplète » et proposait l’alternative des « variables cachées ».
Einstein et ses collaborateurs affirmaient que, si les modifications apportées à une particule intriquée peuvent influencer l’autre instantanément, quelle que soit la distance, alors soit (a) il existe une interaction entre les particules qui se déplace plus vite que la vitesse de la lumière (ce qui est impossible), soit (b) il existe une propriété non mesurée des particules qui prédétermine leurs états mesurés (variables cachées).
Bell s’est demandé ce qui se passerait si des mesures étaient prises sur chacune des particules intriquées indépendamment. Les variables cachées suggèrent que la corrélation entre les mesures est mathématiquement contrainte. Cette contrainte sera appelée plus tard l’inégalité de Bell.
Une telle contrainte hypothétique serait localisée dans l’environnement immédiat de la particule. Bell lui-même a déclaré dans que si une théorie des variables cachées « est locale, elle ne sera pas en accord avec la mécanique quantique, et si elle est en accord avec la mécanique quantique, elle ne sera pas locale ».
Les premières expériences rudimentaires corroborant le théorème de Bell remettant en cause le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen ont été réalisées en 1972 par le physicien américain John Clauser et ses collègues. D’autres expériences ont suivi dans les années 1980, sous la direction d’Alain Aspect, 75 ans (aujourd’hui), professeur émérite de physique à l’Université Paris-Saclay et à l’École Polytechnique en France et troisième physicien à partager ce prix Nobel.
John Clauser (à gauche), Anton Zeilinger et Alain Aspect ont remporté le prix Nobel de physique de cette année pour leurs recherches sur l’intrication quantique.(J. Clauser, Matthias Röder/ dpa/ The Royal Society)
Il s’avère que même Einstein avait parfois tort (ou du moins c’est ce qu’il semble).
Tout cela pourrait ressembler à des querelles de clocher du domaine de la physique théorique. En réalité, le fait que les expériences menées par Clauser, Aspect et Zeilinger montrent que la nature semble être en accord avec la mécanique quantique a de réelles implications. Ces expériences, ainsi que d’autres similaires menées ces dernières années, ont jeté les bases de la vague d’intérêt et de recherche sur l’information quantique.
Le prix a été décerné « pour des expériences avec des photons intriqués, établissant la violation des inégalités de Bell et ouvrant la voie à la science de l’information quantique », soulignant l’importance de la vérification expérimentale de ces travaux théoriques dans le développement de nouvelles technologies.
C’est grâce à l’intrication quantique que le stockage et le transfert d’informations quantiques et l’utilisation d’algorithmes de cryptage quantique sont possibles. Les développements de l’informatique quantique devraient révolutionner la manière dont nous sommes capables de traiter l’information.
Les ordinateurs quantiques sont censés être des milliers, voire des millions de fois plus rapides et plus puissants que les ordinateurs classiques modernes. Le cryptage quantique pourrait être inviolable. Des systèmes comportant plus de deux particules intriquées, mis au point par Anton Zeilinger et son équipe, sont désormais utilisés.
Selon Clauser à la BBC :
C’est utile pour les militaires et les banques, dans les communications sécurisées. La plus grande application à ma connaissance est celle des Chinois qui ont lancé un satellite il y a plusieurs années qu’ils utilisent pour des communications sécurisées sur des milliers de kilomètres.
Pour Eva Olsson, membre du comité Nobel de physique :
La science de l’information quantique est un « domaine dynamique et en plein essor. Ses prédictions ont ouvert les portes d’un autre monde, et elles ont également ébranlé les fondements mêmes de la façon dont nous interprétons les mesures.
Lors de la conférence de presse au cours de laquelle l’annonce de sa réception du prix a été annoncée, Zeilinger a souligné que ce prix devait animer la prochaine génération de physiciens.
Ce prix est un encouragement pour les jeunes, le prix ne serait pas possible sans plus de 100 jeunes qui ont travaillé avec moi au fil des années.
Pour tous les physiciens en herbe qui se débattent avec la physique quantique, les propres mots de Clauser après avoir reçu le prix pourraient vous donner un peu d’espoir.
Annoncée sur le site du Prix Nobel : The Nobel Prize in Physics 2022.