L’intrication quantique confirmée par une expérience de Bell sans faille

Une bonne partie de sa vie, Einstein n'a cessé d'essayer de mettre la physique quantique en faute. Il critiquait en particulier le concept d’intrication quantique, selon lequel l’état de particules peut être lié quelle que soit la distance qui les sépare. En 1935, avec Boris Podolsky et Nathan Rosen, il a formulé ses objections sous forme d’un paradoxe, aujourd'hui nommé paradoxe EPR. Selon ces trois physiciens, l’intrication quantique implique qu’il existe entre deux particules intriquées des interactions qui se propagent plus vite que la lumière. La seule façon d’éviter ce conflit avec la relativité restreinte est de supposer que la physique quantique décrit la réalité de façon incomplète et qu’il existe des « variables cachées », inconnues des physiciens, qui donnent l’illusion de l’intrication quantique. Pour le physicien danois Niels Bohr, principal contradicteur d’Einstein, il n’y a pas de conflit avec la relativité restreinte car l’intrication quantique est un phénomène non local : il ne dépend pas des positions des particules dans l’espace ; un système intriqué forme un tout dont on ne peut pas décrire séparément les composants. De nombreuses expériences ont été conçues pour confirmer la non-localité de l’intrication. Mais toutes comportent de subtiles failles logiques, ou échappatoires. Une équipe menée par Ronald Hanson, de l’université de Delft aux Pays-Bas, a enfin conçu une expérience sans faille qui confirme la réalité de l’intrication quantique.

Revenons d'abord sur la notion d'intrication quantique. En physique quantique, l’état d’une particule est décrit par une « fonction d’onde ». Celle-ci décrit par exemple le spin de la particule (son moment cinétique intrinsèque). La fonction d'onde correspond à une superposition d'états. Le spin (que l’on peut se représenter comme une petite flèche attachée à la particule) est ainsi une somme des états « vers le haut » et « vers le bas ». Lorsqu'on mesure l’orientation du spin, la fonction d’onde est modifiée (ou « réduite »), la superposition d'états disparait et le spin observé prend, de façon aléatoire, la valeur « haut » ou la valeur « bas », comme on s’y attend pour un objet usuel.

Des particules forment un système intriqué lorsque leurs états sont liés, et ce même si elles sont éloignées les unes des autres. Que se passe-t-il lors de la mesure dans un système intriqué ? Considérons par exemple un système intriqué formé de deux particules dont les spins sont toujours opposés. Le spin de chaque particule est une superposition indeterminée des états haut et bas. Lorsque l’on mesure le spin de la première particule, sa fonction d’onde est réduite et on obtient une valeur de spin de façon aléatoire. Instantanément, l'orientation du spin de la seconde particule prend l’état opposé, même si les particules sont trop éloignées l’une de l’autre pour avoir le temps d’échanger une information (à la vitesse de la lumière). L’intrication peut être vue comme une généralisation de la superposition d’états à plusieurs particules.

Qui a raison, Bohr ou Einstein ?

Pour Einstein, cette transmission d'information plus rapide que la lumière est inacceptable : il doit exister des variables cachées pré-établies qui portent l’information de l’issue de la mesure et qui donnent l’impression d’une communication immédiate. Le débat en reste là jusqu’en 1964. Cette année là, le physicien nord-irlandais John Bell propose le principe d’une expérience qui permet de résoudre le problème. Il formalise la question par des inégalités, dites de Bell, qui sont évaluées au cours de l’expérience. Si l’inégalité n’est pas respectée, alors le résultat de l’expérience ne peut pas être expliqué par l'existence de variables cachées, et il faut se résoudre à admettre le caractère non local de la nature.

En 1982, l’équipe d’Alain Aspect, de l’Institut d’optique, à Orsay, met au point une expérience pour vérifier les inégalités de Bell. Dans le dispositif, des paires de photons intriqués sont produites, puis chacun des photon d’une paire est dirigé vers un détecteur pour mesurer sa polarisation. Les deux instruments sont suffisamment éloignés l’un de l’autre pour éviter qu'une communication à la vitesse de la lumière puisse fausser le résultat de la mesure (On parle d'échappatoire de communication, ou échappatoire de localité).

Alain Aspect et ses collègues montrent que, dans ce dispositif, les inégalités de Bell sont violées, confirmant ainsi le caractère non local de la physique quantique. Cependant, cette expérience souffre d’une « échappatoire de détection ». Les photons sont en effet facilement absorbés durant leur trajet et tous ne sont pas détectés. On peut imaginer que les photons détectés violent les inégalités de Bell, mais que ce n'est pas le cas pour l'ensemble des photons émis. Pour pouvoir tirer une conclusion de l'expérience, il faut faire l’hypothèse que l'échantillonnage des photons observés est représentatif des photons émis. Cette échappatoire est difficile à maîtriser.

Néanmoins, en 2013, les équipes d’Anton Zeilinger, de l’université de Vienne, et de Paul Kwiat, de l’université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ont montré qu’il était possible de contrôler l'échappatoire de détection à l'aide de détecteurs supraconducteurs qui limitent les pertes de photons. Mais ce dispositif ne résolvait plus l’échappatoire de communication...

Expérience de Bell

Vue grand angle du dispositif, les deux diamants sont installés dans les sités marqués à gauche et en haut à droite. Les photons sont conduits vers le site à droite. (crédit : université de Delft)

Ronald Hanson et son équipe ont aujourd'hui mis au point un système qui traite les deux failles en même temps. L’idée était déjà suggérée par John Bell : il faut ajouter un sous-système qui s’assure que le dispositif quantique est prêt à être mesuré. L'expérience comprend deux diamants distants de près de 1,3 kilomètre, qui présentent des défauts dans leur réseau cristallin. Ces défauts agissent comme des systèmes quantiques individuels (ou « atomes artificiels ») qui possèdent un spin électronique que les chercheurs peuvent contrôler au moyen de lasers et micro-onde. On peut notamment forcer les diamants à émettre des photons intriqués avec l'état de spin du défaut cristallin. Ces photons sont ensuite guidés vers un dispositif placé entre les deux sites initiaux afin d'être détectés. En vertu de l'intrication, la mesure de la polarisation de ces photons se répercute instantanément sur les spins des défauts du diamant, même si ceux-ci sont distants de plus d'un kilomètre. La détection des photons permet d’assurer que les spins des défauts sont maintenant intriqués entre eux et que le système quantique est prêt à être mesuré. Ainsi, l’échappatoire de détection est résolue, car la mesure des spins se fait sur les défauts cristallins et non plus sur les photons, comme dans l'expérience d'Aspect. En outre, la mesure ne sera effectuée que si les spins des défauts sont bien intriqués. Les mesures sont effectuées en moins de 4 microsecondes pour empêcher la communication entre les défauts, ce qui ferme l'échappatoire de communication. Les physiciens ont ainsi étudié 245 paires de spins de défauts au cours de cette expérience et ont confirmé que les inégalités de Bell étaient violées. Notre monde est bien non-local !

Source : Pour la Science