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Atomes et miroir pour une expérience de pensée quantique d'Einstein

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Dans l'espoir de réfuter l'interprétation de Copenhague de la théorie quantique et les inégalités de Heisenberg, Einstein avait introduit une expérience de pensée dont une variante vient d'être réalisée aujourd'hui avec un faisceau d'atomes d'argon excités par laser passant devant un miroir. Les observations montrent qu'un atome peut alors simultanément s'approcher et s'éloigner du miroir en accord avec le principe de superposition des états quantiques.

De gauche à droite, Niels Bohr et Albert Einstein en pleine réflexion sur les paradoxes de la théorie quantique. © Wikipédia, Ehrenfest

Albert Einstein est l'un des pères fondateurs de la théorie quantique et il a longtemps été le plus lucide sur la nécessité de prendre au sérieux pour toute la physique l'existence de quanta d'énergie, introduite par Planck pour expliquer le rayonnement du corps noir. Einstein comprend le premier qu'il ne peut s'agir d'une simple restriction des échanges d'énergies entre matière et rayonnement et que l'on se trouve contraint d'admettre que la lumière elle-même possède un aspect corpusculaire. Il est aussi le premier à introduire le calcul des probabilités en physique quantique, au niveau des processus d'émission spontanée et stimulée d'un atome. Cette découverte est au cœur même des lasers.

Toutefois, à partir de 1927, il s'oppose de plus en plus aux tenants de l'interprétation orthodoxe de la mécanique quantique et va proposer d'ingénieuses expériences de pensée, comme celle de sa fameuse boîte à photons ou encore celle du paradoxe EPR. L'une de ces expériences consistait à essayer de mesurer simultanément avec précision la position et la quantité de mouvement d'un photon. Mesure réalisée avec un dispositif à double fente capable de déterminer par quelle fente un photon était passé, tout en mesurant un changement d'impulsion du photon avec le recul du dispositif à double fente. De prime abord, un tel dispositif semblait permettre de violer les inégalités de Heisenberg interdisant une mesure ou plus précisément l'attribution simultanée d'une valeur précise pour la position et l'impulsion d'une particule quantique (qu'elle soit un photon, un électron ou un atome). Mais comme le dispositif avec fente doit lui-même être décrit par la physique quantique, on doit aussi lui appliquer les inégalités de Heisenberg.

Au final, l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique construite par Niels Bohr se trouve confirmée et il n'y a pas moyen de violer les inégalités de Heisenberg.

L'expérience de pensée de la double fente avec recul d'Einstein. Une des fentes est équipée d'un dispositif permettant de mesurer le passage d'un photon par le recul dû à un transfert de quantité de mouvements. Si l'on ne cherche pas à préciser par quelle fente le photon est passé, on observe sur un écran à droite des franges d'interférences. © Nature/Bohr

Une variante de cette expérience de pensée, déjà réalisée avec d'autres systèmes quantiques, vient aujourd'hui d'être concrétisée par un groupe de chercheurs allemands et autrichiens.

Une émission de photon séparatrice d'une onde de matière

Les chercheurs ont commencé par produire un faisceau d'atomes d'argon passant très près de la surface d'un miroir. À ce moment là, un laser excite un électron dans un de ces atomes. Un processus d'émission spontanée fait redescendre l'électron sur un niveau d'énergie plus bas et un photon est émis. Dans certains cas le photon est émis en direction du miroir pour se réfléchir selon une direction identique à celle d'une émission directe du photon en direction d'un observateur. Comme à chaque fois l'atome subit un recul d'une quantité de mouvements donnée, il en résulte que l'atome lui-même se trouve dans une superposition d'états de mouvements.

L'émission spontanée d'un atome juste devant un miroir produit parfois une situation quantique où l'on ne peut dire si le photon a été émis par l'atome sans se réfléchir sur le miroir ou si une réflexion s'est vraiment produite. © Technical University of Vienna

Dans un cas il s'approche du miroir, dans l'autre il s'en éloigne. La situation est alors analogue à celle d'un photon passant simultanément par les deux fentes du dispositif introduit par Einstein dans son expérience de pensée.

Il y a cependant une importante différence.

Normalement, l'émission d'un photon par un atome empruntant deux chemins simultanément dans le cas d'une expérience avec des ondes de matière passant par une double fente correspond à mesurer par quel chemin l'atome est passé. Il y a alors destruction de la superposition des états. C'est en fait l'inverse qui se passe ici, l'existence d'une émission produit une superposition d'état lorsque le faisceau d'atome est proche du miroir. 

On peut démontrer l'existence de cette superposition en faisant subir une expérience d'interférence aux ondes de matière en état de superpositions des deux états de mouvement. On produit alors des franges d'interférence qui disparaissent lorsque le faisceau d'atomes d'argon passe suffisamment loin du miroir. Tous les détails de l'expérience réalisée se trouvent dans un article de Nature donné en lien ci-dessous.