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Chat de Schrödinger : la décohérence fonctionne aussi avec la lumière !

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Par Laurent Sacco, Futura

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Une équipe de chercheurs français vient de réaliser une expérience mettant en scène le célèbre chat de Schrödinger, non pas avec de la matière, mais avec de la lumière. En accord avec la théorie de la décohérence, ils ont pu visualiser les différentes étapes faisant passer le chat d'un état quantique à l'état classique.

Les oscillations de la fonctions de Wigner disparaissent rapidement dans l'expérience réalisée. Crédit : Nature

C'est une équipe du laboratoire Kastler Brossel et du Collège de France qui vient de faire parler d'elle avec des expériences à la frontière du monde classique et du monde quantique destinées à sonder les fondements de la théorie quantique. Parmi les noms des auteurs d'un article publié par Nature, on trouve celui de Serge Haroche, professeur au Collège de France, bien connu pour ses expériences sur la décohérence avec des atomes de Rydberg. Il s'agissait justement de tester la théorie de la décohérence, centrale pour expliquer le paradoxe du chat de Schrödinger, non plus dans le cas de la matière mais dans celui  de la lumière.

Rappelons brièvement en quoi consiste ce paradoxe. Dans le monde quantique, tous les aspects du monde classique sont flous et d'une certaine façon potentiels. On peut juste parler de la probabilité de l'observation d'un objet dans un état classique et il est interdit de lui attribuer une existence dans le sens où nous pensons, par exemple, que les planètes possèdent une position et une vitesse bien déterminées et que nous ne doutons pas que l'ordinateur de notre bureau existe toujours lorsque nous ne somme pas là pour l'observer.

Schrödinger, tout comme Einstein, ne pouvait pas supporter cette vision du monde impliquée par les équations de la mécanique quantique, dont celle portant son nom, l'équation de Schrödinger. Il chercha à montrer que les bizarreries de la mécanique quantique et de son interprétation orthodoxe, celle de Copenhague, ne pouvaient pas être confinées par un cordon sanitaire dans le monde des atomes et qu'elles devaient se manifester à notre échelle.

Ainsi, si l'on considérait un chat enfermé dans une boîte avec un atome radioactif susceptible de se désintégrer, il fallait, selon la mécanique quantique, considérer l'objet macroscopique, c'est-à-dire le chat, comme faisant un seul objet quantique avec l'atome à cause d'un phénomène appelé l'intrication quantique. Or, d'après les lois de la mécanique quantique, l'atome devait se retrouver dans une superposition d'états. Il pouvait ainsi, simultanément, se désintégrer ou pas, seul un observateur cherchant à savoir si la désintégration avait bien eu lieu ou non provoquerait le passage de l'état de l'atome dans une seule de ces deux alternatives.

Seulement voilà, si un compteur Geiger était présent dans la boîte et capable de déclencher le mouvement d'un marteau brisant un fiole contenant du cyanure en cas de désintégration de l'atome, on aboutissait à une conclusion étonnante : tant qu'un observateur n'ouvrait pas la boîte pour observer le chat de l'expérience de pensée proposée par Schrödinger, ce dernier était quantiquement dans une superposition d'états, à la fois vivant et mort !

L'expérience du chat de Schrödinger. Crédit : universe-review

Pour Schrödinger, le fait qu'une telle situation ne se rencontrait évidement pas dans la vie de tous les jours était une preuve que l'interprétation orthodoxe de  la théorie quantique était fausse. Cela ne convainquit pas des physiciens comme Bohr et Heisenberg et des années plus tard, une explication fut trouvée : la théorie de la décohérence. Selon elle, la situation avec un chat et un  atome radioactif complètement isolés était une vue de l'esprit et n'existe nulle part dans l'Univers. La superposition des deux états était en fait très fragile et de légères perturbations en provenance de l'environnement extérieur provoquaient la destruction de la superposition en un temps plus bref que celui mis pour ouvrir le boîte par un observateur.

Cette théorie a été testée il y a quelques années, notamment par Serge Haroche et ses collègues, mais avec des atomes, la théorie fonctionnait-elle avec des photons intriqués en état de superposition quantique dans une cavité aux parois supraconductrices ? Pour le savoir, les chercheurs ont fait appelle à la mesure de ce qu'on appelle la fonction de Wigner.

Le prix Nobel Eugène Wigner. Crédit : The Nobel Foundation 1963

Introduite dans les années 1930 par différents physiciens dont le futur prix Nobel de physique hongrois Eugène Wigner, il s'agit d'une puissante généralisation de la fonction d'onde de Schrödinger donnant, par exemple, la probabilité d'observer la position d'un électron autour d'un atome. Il existe une seconde fonction d'onde donnant la probabilité d'observer l'électron avec une quantité de mouvement donnée et la fonction de Wigner est une sorte de fusion de ces deux descriptions en une seule. Appliquée au cas de photons intriqués dans la cavité précédente, cette fonction qui dépend dans ce cas de deux paramètres montre des oscillations avec des valeurs positives et négatives que l'on a représentées respectivement en rouge et bleu sur le schéma ci-dessous.

En faisant passer des atome de Rydberg dans la cavité et en mesurant leur état à la sortie, il est possible de reconstruire l'état des photons intriqués et surtout cette fonction de Wigner. En quelques dizaines de millisecondes, on constate alors que les oscillations de la fonction de Wigner disparaissent pour ne plus laisser que des valeurs positives, c'est-à-dire précisément ce qu'on attend selon la théorie de la décohérence de la disparition d'un état d'intrication avec superposition d'un état mort et d'un état vivant pour un chat de Schrödinger.

Comme on pouvait s'y attendre à cause de la dualité onde-corpuscule, la théorie de la décohérence fonctionne aussi bien dans le cas de la lumière que dans celui de la matière...