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Le chat de Schrödinger change d'échelle !

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Le phénomène d'intrication est pour beaucoup l'emblème de la mécanique quantique. Un groupe de physiciens américains vient de l'observer non pas au niveau de l'état des particules mais à celui de leur mouvement, c'est-à-dire à une échelle de dimension bien plus élevée. Réalisé avec des systèmes d'atomes se comportant comme des oscillateurs, cette expérience ouvre des perspectives pour mieux comprendre le paradoxe du chat de Schrödinger.

Erwin Schrödinger. Crédit : département de physique théorique de l'université de Francfort

Le débutant en mécanique quantique est exposé une première fois à une forme simple et très restreinte des lois et principes de cette physique qui défie notre intuition forgée au contact des objets macroscopiques. Il s'agit de la mécanique ondulatoire où des ondes de matière sont associées à des particules. Ce n'est que lors de son contact avec des cours plus avancés qu'il réalise que la mécanique quantique ne traite en fait ni d'onde ni de corpuscule mais d'une refonte générale de la notion de grandeurs physiques et de leur évolutions dans l'espace et le temps. Ainsi, à toute situation physique concevable, et pas seulement des mouvements de particules et d'ondes, la mécanique quantique attribue une amplitude de probabilité de manifestation sous une forme coïncidant en première approximation avec nos intuitions classiques d'objets et de particules.

Appliquées à des objets macroscopiques simples, comme un ballon de football, ces amplitudes impliqueraient qu'ils puissent être simultanément présents dans deux endroits à la fois, ou encore qu'un être vivant conscient puisse être simultanément mort et vivant, comme dans l'exemple du fameux chat de Schrödinger. C'est l’intrication quantique.

Le fait que ce genre de situation ne se rencontre pas dans la vie de tous les jours est paradoxal. En effet, la mécanique quantique gouverne tous les processus du cosmos au niveau le plus fondamental. Quelque chose doit faire en sorte qu'à mesure que l'on passe du monde de l'atome à celui des objets à notre échelle, l'aspect quantique disparaît pour laisser la place au monde classique.

Le problème est de comprendre précisément ce qui se passe et à partir de quel moment et dans quelles situations le monde classique émerge du monde quantique.

Pour tenter de faire la lumière sur ces questions, un groupe de chercheurs américains du National Institute of Standards and Technology (NIST) à Boulder (Colorado) a intriqué non pas des particules mais des états d'oscillations d'ions piégés. Pour cela, ils ont commencé par former deux paires d'ions beryllium 9 et magnesium 24.

Schéma montrant les étapes de l'expérience des chercheus du Nist. Une explication détaillée est donnée dans le texte. Crédit : J. D. Jost, J. P. Home, J. M. Amini, D. Hanneke, R. Ozeri, C. Langer, J. J. Bollinger, D. Leibfried, D. J. Wineland

L'espoir d'expériences à la frontière des mondes quantique et macroscopique

Chaque paire formée de deux ions différents constitue un système physique analogue à celui d'un oscillateur harmonique classique, composé de deux masses connectées par un ressort et séparées par une distance de 4 microns. Mais l'ensemble est ici décrit par les lois de la physique quantique. Initialement, les ions sont refroidis par des faisceaux laser et il n'y a alors aucun mouvement d'oscillation des masses.

Ensuite, les chercheurs ont réussi à intriquer certains états de spin des électrons de chacun des ions béryllium de façon à se trouver exactement dans la situation bien connue des expériences EPR. Les deux paires d'oscillateurs séparées dans le piège à ions de Paul par une distance de 0,24 mm contiennent donc chacune une particule de 9Be+ intriquée avec celle de l'autre paire.

Les ions 9Be+ et 24Mg+ dans chaque paire une fois mis en état d'oscillation sont décrits par une amplitude de probabilité, laquelle va ensuite être mélangée avec celle de l'état de spin de chaque ion 9Be+. C'est alors l'état de spin et l'état d'oscillation qui sont intriqués dans chaque paire. C'est déjà un premier succès que de réussir à mélanger deux états de mouvement différents (spin d'électron et mouvement oscillant d'atome), mais les chercheurs du NIST sont allés plus loin.

Rappelons que les ions 9Be+ des deux paires sont intriqués, il devient alors possible, et c'est ce qui a été réalisé pour la première fois, de transférer l'état d'intrication des spins de chaque paire aux états d'oscillations des noyaux de chaque paire. Ce ne sont donc plus des états de spin de deux particules, comme dans l'expérience EPR, mais des états d'oscillateurs harmoniques de deux systèmes différents qui se retrouvent intriqués !

Ce résultat est fort intéressant pour plusieurs raisons. La principale est que des oscillateurs formés de noyaux sont des systèmes physiques plus gros que des électrons ou des atomes employés ordinairement dans les tests EPR ou pour expérimenter le paradoxe du chat de Schrödinger. Plus généralement, de nombreux systèmes physiques naturels constituent des sortes d'oscillateurs harmoniques.

Le fait que l'on puisse intriquer les états d'oscillations ouvre donc la porte à des expériences sur des systèmes de taille presque arbitraire entre le monde atomique et le monde macroscopique et donc de sonder comment et à quel moment s'effectue le passage du quantique au classique.