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Intrication quantique : un test plus solide de l'effet EPR

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Le fameux paradoxe EPR conduit, via les inégalités de Bell, à des tests des lois de la mécanique quantique. Ces tests reposent sur la mesure du spin de paires de particules intriquées, comme des électrons ou des photons. Ils ne sont pas sans failles mais un groupe de physiciens vient d'éliminer les deux principales dans une nouvelle expérience. La mécanique et la cryptographie quantiques en sortent renforcées.

Tout est quantique : le spin d'une particule dévoilé par une expérience  En physique quantique, le spin est une propriété des particules. Bien qu'il ne possède pas d’équivalent exact à l’échelle classique, on peut l’expliquer en le comparant à la polarisation d'un aimant. Tout est quantique revient en vidéo sur l’expérience de Stern et Gerlach qui a permis de mettre en évidence cette propriété. 

On a fêté en 2015 les 50 ans de la découverte des inégalités de Bell. Il a tout de même fallu attendre 1982 et l'expérience de l'équipe d'Alain Aspect pour que le travail du physicien irlandais John Stewart Bell (1928-1990) soit apprécié à sa juste valeur... et pas dans le sens auquel le chercheur s'attendait. Il s'agissait en fait pour lui de s'attaquer à l'interprétation orthodoxe de la mécanique quantique construite par Niels Bohr, Werner Heisenberg et, dans une certaine mesure, Paul Dirac, Max Born et le mathématicien John von Neumann.

Tout comme Einstein, Schrödinger, Louis de Broglie et David Bohm, Bell croyait que les probabilités et les inégalités de Heisenberg de la mécanique quantique n'étaient qu'un moyen transitoire de rendre compte de la dualité-onde corpuscule et du caractère discontinu de la matière, de la lumière et de l'énergie, et ce au moyen d'outils mathématiques linéaires. En fait, ces énigmes de la physique devaient trouver une explication dans le cadre d'une théorie du champ continu et non-linéaire. D'autre part, une telle théorie devait pouvoir rétablir un déterminisme rigoureux, le hasard quantique provenant de l'ignorance de variables cachées. Une fois celles-ci prises en compte, il ne serait plus nécessaire de faire appel au calcul des probabilités, comme en théorie cinétique classique des gaz.

De gauche à droite, les auteurs du fameux paradoxe EPR, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen. L'article qu'ils ont publié ensemble en 1935 a révélé le phénomène de l'intrication quantique. © DP

Le paradoxe EPR et la relativité restreinte

Pour atteindre ce but, Bell avait suivi une piste ouverte en 1935 par Schrödinger et surtout Einstein et ses collaborateurs, celle du fameux paradoxe d'Einstein-Podolski-Rosen (EPR) basé sur la notion d'intrication quantique dont les quatre physiciens avaient déjà saisi l'importance. Bell avait fini par montrer d'étranges corrélations entre l'état quantique de particules intriquées si la théorie quantique orthodoxe était exacte. Réaliser une mesure sur l'une de ces particules devait modifier l'état de celle avec laquelle elle était intriquée. Comme si une influence physique allait plus vite que la vitesse de la lumière d'une particule à l'autre, et peut-être même de façon instantanée.

Une analyse serrée de ce genre d'expérience avait cependant montré que cette influence, si elle existait, ne pouvait pas servir à envoyer un signal au sens exact du terme. Impossible, donc, de construire une sorte de téléphone quantique fonctionnant à une vitesse supraluminique.

Il avait fallu attendre les progrès de la physique des lasers pour que le Français Alain Aspect et ses collègues puissent réaliser une expérience vraiment convaincante permettant de tester les idées de Bell. En 1982, le résultat est tombé : la mécanique quantique semblait fonctionner en accord avec les idées de Bohr et Heisenberg et pas avec celle d'Einstein et Schrödinger (à moins de considérer les variantes dites non-locales des théories à variables cachées).

Déçu mais acceptant une partie du verdict de l'expérience, Bell n'en démordit pas et continua à adhérer aux conceptions d'Einstein jusqu'à la fin de sa vie, quoique d'une façon hérétique puisqu'il envisageait de remettre en cause la théorie de la relativité d'Einstein.

Ce film rare de 1990 montre le physicien Bell expliquant sa théorie au Cern. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître si ce n'est déjà fait. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite et vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © Information Philosopher, YouTube

Les deux failles des tests du paradoxe EPR

Il ne fut pas le seul à penser que l'on pouvait encore défier Bohr, Heisenberg et Born. Rapidement, certains sceptiques firent remarquer qu'il existe au moins une faille dans l'expérience d'Aspect, et en fait trois dans les expériences possibles pour tester les inégalités de Bell. La première fait intervenir d'une certaine façon le libre arbitre du physicien expérimentateur et elle est donc loin d'être évidente à combler. La deuxième est une condition à remplir dans un test sur deux particules intriquées, par exemple une paire de photons dans l'expérience d'Aspect (ou une paire d'électrons ou d'atomes). Il faut être certain que la distance entre les deux ne puisse être franchie plus vite que la lumière durant le temps de la mesure. Alain Aspect avait réussi à combler cette deuxième faille, dite de la « localité ».

La troisième et dernière faille exploite le fait que le test n'avait concerné qu'une fraction de toutes les paires de photons. Il ne s'agissait donc que d'un échantillonnage, comme un sondage avant une élection dont chacun sait qu'il peut être trompeur. Pour mieux faire, il aurait fallu mesurer la quasi-totalité des paires de photons produites. C'est la faille dite de la détection. Elle a été comblée aux dépens de celle de la localité, en 2013, par une expérience d'Anton Zeilinger et ses collègues.

Dans un article déposé sur arXiv, un groupe de physiciens néerlandais, espagnols et britanniques affirment avoir réalisé une expérience sans la faille de la localité ni celle de la détection. En bonus, elle ouvrirait la voie à la réalisation d'une cryptographie quantique encore plus sûre. Leur secret : associer des électrons et des photons.

Tout commence par l'utilisation de deux diamants possédant des centres colorés. On peut y produire des photons polarisés intriqués avec des électrons. La mesure de l'état d'intrication porte sur les spins des électrons et des photons. Les diamants sont séparés ici par une distance de 1,28 kilomètre. Chacun d'eux émet alors un photon. Les deux s'éloignent en direction d'un détecteur situé entre les diamants à plusieurs centaines de mètres de distance. La mesure réalisée les intrique, ce qui a pour effet d'intriquer aussi les électrons restés au sein des deux diamants. Cette astuce permet de réaliser des mesures de spins des électrons (faciles à effectuer) sur presque toutes les paires de particules intriquées. La faille de la détection est donc évitée. De plus, l'expérience permet de garantir qu'aucun signal, même à la vitesse de la lumière, n'a le temps de voyager entre les deux diamants pendant le temps des mesures.

C'est la première fois qu'un test de l'inégalité de Bell s'affranchit simultanément de deux failles. La prouesse supprime en même temps une des failles qui pourrait être utilisée pour intercepter incognito des messages chiffrés par cryptographie quantique, par exemple des codes bancaires.

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John Bell devant le tableau noir dans son bureau au Cern. En haut du tableau trône la célèbre inégalité qu'il a démontrée en 1964. Juste en dessous, le schéma montre le principe de l'expérience réalisée en 1982 avec des paires de photons polarisés par Alain Aspect et ses collègues. © Cern