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Le prix Wolf récompense Alain Aspect pour ses travaux sur l'effet EPR

Déjà médaille d’or du CNRS en 2005, le physicien français Alain Aspect vient de recevoir le prix Wolf, en compagnie de John F. Clauser (Etats-Unis) et Anton Zeilinger (Autriche). Presque l’équivalent du Nobel, ce prix récompense les pionniers qui ont démontré le caractère réel et déroutant de l’intrication quantique, à la racine de l’effet EPR et des travaux modernes sur l’information quantique.

Le physicien Alain Aspect. Crédit : IFRAF Le physicien Alain Aspect. Crédit : IFRAF

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Albert Einstein a incontestablement été l’un des pères fondateurs de la mécanique quantique. Il est le premier à comprendre que les quanta introduits par Planck pour expliquer le rayonnement du corps noir imposent une structure discontinue à la lumière. Il est le premier à introduire le calcul des probabilités pour rendre compte des transitions quantiques dans l’atome de Bohr et il anticipe avant tout le monde la notion de chaos quantique. Ses travaux inspirèrent à Louis de Broglie l’idée que la matière elle-même est de nature ondulatoire, et, en attirant l’attention de la communauté scientifique sur les points de vue de ce physicien français, ils lancèrent Schrödinger sur la voie de la découverte de sa célèbre équation.

Pourtant, à partir de 1927 et du fameux congrès Solvay, Einstein va s’opposer de plus en plus clairement à l’interprétation orthodoxe de la mécanique quantique construite par les travaux de Bohr, Born, Heisenberg et Dirac. Pour lui, la théorie quantique n’est pas fausse mais incomplète. Il doit exister un moyen de dériver l’apparition des amplitudes des probabilités quantiques, ainsi que l’existence de quanta de matière et de lumière, à partir d’une généralisation des équations de la relativité générale. Derrière le voile de l’expérience quantique doit se trouver une image simple, mais pas simpliste, et conforme aux représentations classiques dans l’espace et dans le temps, des phénomènes d’interactions entre matière et lumière.

Au cours des années suivantes, Einstein proposa plusieurs expériences de pensée pour tenter de réfuter la fameuse interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Il y eut bien sûr le célèbre argument de la boîte à photons mais ce dernier fut rapidement contré par Niels Bohr en utilisant la relativité générale d’Einstein. Plus délicat à réfuter fut l’argument développé par Einstein et ses collaborateurs, Boris Podolski et Nathan Rosen, dans un article mémorable paru en 1935.

Le phénomène d’intrication quantique exposé dans cet article, et baptisé par la suite effet EPR, pour Einstein-Podolski-Rosen, était paradoxal et intriguant, puisqu’il semblait en contradiction avec la théorie de la relativité restreinte. Mais, à l'époque, la vérification expérimentale était techniquement impossible. Quoiqu'il en soit, Bohr avait répondu par avance que l’effet devait bien être réel, conforme à l’interprétation orthodoxe de la mécanique quantique, mais nullement en contradiction avec la théorie de la relativité.

D'une particule, que peut-on mesurer ?

Selon l’effet EPR, deux particules ayant interagi, par exemple un pion se désintégrant en donnant un électron et un positron, forment un tout indissociable quelles que soient les distances les séparant. Effectuer une mesure sur l’une des particules (déterminer sa position par exemple) influence instantanément l’état de l’autre et la capacité à mesurer son impulsion.

En effet, dans ce cas précis, la conservation de l’impulsion implique que les deux particules ont la même en valeur mais de sens opposés. On pourrait donc espérer contourner les probabilités quantiques, et plus précisément les inégalités de Heisenberg, en mesurant la position d’une particule et l’impulsion de l’autre, ce qui, naïvement, permettrait de mesurer la position et la vitesse d’une seule particule avec une précision arbitraire.

La mécanique quantique orthodoxe interdisant ce genre de chose, il faudrait en conclure que la mesure de la position sur une particule brouille instantanément, même à des années-lumière, l’impulsion de l’autre particule.

Pour Einstein, c'était inacceptable et le signe qu'une théorie à variables cachées remplacerait un jour la mécanique quantique.

Pour Bohr, comme les deux particules ne possédaient pas simultanément une vitesse et une position bien définies avant toute mesure, il était possible d’utiliser le flou des probabilités quantiques pour que cet effet plus rapide que la lumière ne puisse pas servir à transmettre un signal et donc à violer la relativité restreinte.

Niels Bohr et Albert Einstein chez Paul Ehrenfest à Leide en 1925. Crédit : Licence Commons
Niels Bohr et Albert Einstein chez Paul Ehrenfest à Leide en 1925. Crédit : Licence Commons

Les choses en restèrent là jusque vers 1964 lorsque le physicien irlandais John Bell eut une idée, stimulé par des conversations au Cern avec Josef M. Jauch.

Pensant comme Einstein que les probabilités en mécanique quantique ne provenaient pas d’un hasard fondamental à l’œuvre au cœur des phénomènes mais de l’ignorance de certains paramètres cachés à un observateur humain, à l’instar des positions et vitesses exactes des particules dans une mole de gaz, il dériva un théorème permettant de départager clairement les positions d’Einstein et de Bohr à l'aide d'expériences.

Les physiciens David Bohm et David Mermin avaient transposé le raisonnement EPR, qui portait initialement sur la mesure des positions et des vitesses d’une paire de particules de matière intriquées, à la mesure des spins de ces particules (pour David Bohm) et à la mesure de la polarisation d’une paire de photons intriqués (pour David Mermin).

Les particules, ça n'existe pas

Avec les photons, des expériences précises étaient envisageables. Une équipe constituée de John Clauser et S. J. Freedman publia en 1972 des résultats expérimentaux sur une inégalité contenue dans le théorème de Bell et que devait vérifier toutes les formulations dites locales à variables cachées prolongeant les équations de la mécanique quantique dans le sens des idées d’Einstein.

Ces résultats étaient négatifs, violant l’inégalité de Bell mais en plein accord avec les prédictions orthodoxes de la mécanique quantique. Toutefois, cette première expérience pouvait être critiquée et les sceptiques, comme John Bell lui-même, ne s'en privèrent pas.

Les choses changèrent lorsque Alain Aspect et ses collègues Philippe Grangier, Gérard Roger et Jean Dalibard réalisèrent une nouvelle expérience à l’Université d’Orsay en 1982. Bien plus précise et bien plus propre, elle continua à donner tort à Einstein et raison à Bohr. Cette fois, la grande majorité de la communauté scientifique fut convaincue.

L’expérience d’Alain Aspect devient rapidement mondialement célèbre et avec elle la notion d’effet EPR et d’intrication quantique. Elle montre clairement ce que Bohr, Heisenberg et Dirac avaient compris. Le substratum physique de l’Univers est hors espace et hors temps, il n’y a fondamentalement ni particules ni ondes dans le monde quantique. On ne peut se servir de ces images mentales que comme des approximations, se limitant l’une l’autre, pour décrire les expériences de physique ou un instrument de mesure classique entre en interaction avec un être quantique. C’est surtout aussi la notion de non séparabilité qui entre en ligne de compte comme n’a cessé de le souligner le physicien et philosophe Bernard d’Espagnat, qui avait beaucoup discuté avec Bell et Aspect.

Au niveau le plus fondamental, il n’y aurait qu’un tout non séparable dans l’espace et le temps et quelles que soient les distances entre les quanta dans l’espace, on ne saurait qu’approximativement les penser comme des entités indépendantes.

Ces considérations philosophiques issues de l’intrication des particules ne sont pas les seules conséquences de l’expérience d’Alain Aspect. En montrant que l’intrication est un phénomène bien réel, elle a ouvert la voie aux travaux sur la cryptographie et la téléportation quantique ainsi que sur les ordinateurs quantiques manipulant des qubits.

C’est ainsi que Anton Zeilinger, en emboîtant le pas à John Bell et Alain Aspect, fut un des premiers à décrire des expériences portant sur l’intrication de trois particules. Surtout, Anton Zeilinger, avec ses collègues, a réussi au cours des années 1990 à utiliser ces travaux dans des expériences de cryptographie et de téléportation quantique.

L’attribution du prix Wolf 2010 à John Clauser, Alain Aspect et Anton Zeilinger est donc amplement méritée. Gageons – et espérons – que pour Alain Aspect, cette récompense n’est qu’un prélude. En effet, ce prix décerné par la Fondation Wolf et qui sera remis par le Président israélien Shimon Peres lors d'une cérémonie à la Knesset le 13 mai 2010, est presque l’équivalent du prix Nobel de physique au sein de la communauté scientifique.

Il n’est pas anodin de constater que parmi les récipiendaires du prix Wolf, en plus de chercheurs aussi prestigieux que Roger Penrose, Stephen Hawking et John Wheeler, on a compté bien des lauréats qui recevront par la suite des prix Nobel, comme Albert Fert et Pierre-Gilles de Gennes.

Les contributions d’Alain Aspect à la physique sont loin de se cantonner au domaine de l’effet EPR, il a en effet travaillé en collaboration avec Claude Cohen-Tannoudji sur le refroidissement des atomes par laser au Laboratoire Kastler Brossel (LKB) de l'ENS à partir de 1985 et a ainsi réussi à refroidir des atomes à un microkelvin. Au millieu des années 1990 il commence à s’intéresser au domaine des condensats de Bose-Einstein et des lasers à atomes et il poursuit actuellement des recherches sur ce sujet.

Il est membre de l’académie des sciences, directeur de recherche au CNRS, professeur à l'Institut d'optique et à l'Ecole Polytechnique et anime le Groupe d'Optique Atomique du Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'optique (Institut d'optique/CNRS/Université Paris-Sud 11).


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