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Peut-on vérifier l'effet EPR à l'oeil nu ?

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Le paradoxe EPR est devenu mondialement célèbre depuis les expériences d'Alain Aspect en 1982. Depuis lors, des expériences d'optique quantique de plus en plus raffinées sondent les mystères du monde quantique. Nicolas Gisin, qui s'est illustré dans l'étude de ce paradoxe, propose aujourd'hui de le rendre directement perceptible à notre échelle. De quoi explorer les frontières entre les mondes classique et quantique et même la conscience humaine...

John Von Neumann. Crédit : Penn State university

Comment le monde classique émerge-t-il du monde quantique ? Que signifie vraiment le postulat de réduction du vecteur d'état en mécanique quantique ? Est-ce la conscience de l'observateur, la taille d'un système physique ou encore la gravitation qui intervient dans le passage du quantique au classique ?

Toutes ces interrogations agitent le monde raréfié des physiciens s'occupant des fondements de la mécanique quantique. Il ne s'agit pas de simples questions académiques que l'on rencontre systématiquement lorsqu'on s'occupe de cosmologie quantique et de l'interprétation de la fonction d’onde de l’Univers. Non, cette réflexion intervient aussi dans des considérations très pratiques concernant l'information, la téléportation et la cryptographie quantique.

Le problème est ancien et remonte aux travaux des fondateurs de la mécanique quantique qu'étaient Einstein, Schrödinger, Bohr et Von Neumann dans les années 1930. On le retrouve après la Seconde guerre mondiale dans les réflexions de Hugh Everret et sa théorie des mondes multiples ainsi que dans les réflexions presque métaphysiques d’Eugène Wigner.

Dans le monde quantique règnent les lois les plus paradoxales au sens classique.

Les particules sont présentes à plusieurs endroits à la fois et on ne peut pas de parler de l'existence de l'ordinateur sur lequel vous lisez cet article tant que vous n'êtes pas dans la pièce où il se trouve pour l'observer. Un chat (celui de Schrödinger en l'occurrence) peut être, dans cette même pièce, à la fois mort et vivant tant que vous n'êtes pas là pour projeter son état de superposition de ces deux éventualités dans une seule, en cherchant à l'observer.

Le prix Nobel de physique Eugene Wigner, l'un des plus grands théoriciens de la physique du XXième siècle. Crédit : National Science Digital Library

Jusqu'où va le monde quantique ?

Evidemment, notre monde classique ne ressemble à rien de tel et certains des pères fondateurs ont essayé d'expliquer pourquoi les bizarreries de comportement des électrons et des photons restaient confinées aux mondes des atomes. Le grand mathématicien Von Neumann a été l'un des premiers à analyser ce problème et ses conclusions étaient surprenantes et dérangeantes.

Pour lui, même si un objet comme une cellule photoélectrique ou une chambre à bulles, utilisés pour mesurer l'état d'un photon ou d'un électron, sont des objets macroscopiques, ils doivent être décrits par les équations de la mécanique quantique. Comme tous les objets quantiques, leurs différents comportements sont donc décrits par l'équation de Schrödinger.

Chaque état possible est décrit mathématiquement par un vecteur de base dans un espace vectoriel et les systèmes physiques peuvent se retrouver dans une superposition d'états de base donnée par des combinaisons linéaires de ces vecteurs de base. Les coefficients qui leur sont associés donnent la probabilité d'observer le système dans un état donné, comme, pour une particule, être ou ne pas être en un point de l'espace.

Lors d'une observation, le système saute alors dans un seul état de base et toutes les autres combinaisons d'états de base disparaissent. Une particule devient bien localisée en un point, le chat de Schrödinger devient mort ou vivant. A chaque fois, cela implique un observateur extérieur au système.

Mais si l'on considère un système quantique comme l'Univers entier, où se trouve le système extérieur qui va provoquer la réduction du vecteur d'état ?

En définitive, si même les objets comme les instruments de mesures classiques peuvent se retrouver dans des superpositions quantiques, alors que l'on observe pas ces superpositions pour des objets macroscopiques, on en vient aux conclusions de Von Neumann et Wigner. La conscience humaine doit échapper aux équations de la physique quantique et c'est la prise de conscience par un observateur d'une mesure qui provoque le passage des superpositions quantiques à une seule réalisation d'état du monde classique.

C'est une conclusion à la fois complètement folle, très hypothétique mais aussi dangereuse, car elle ouvre la porte à tous les dérapages, comme l'idée que la volonté humaine pourrait modifier la réalité à son niveau le plus fondamental.

En fait, dans les théories proposées par Von Neumann et Wigner, la réduction du vecteur d'état reste de toute façon incontrôlable dans les détails par la conscience humaine puisque le saut dans un état spécifique est gouverné par des lois de probabilité.

Hugh Everret. Crédit : Public Broadcasting Service

Une autre explication a été proposée par Hugh Everret, un élève du grand John Wheeler. Pour lui, il n'y a jamais réduction du vecteur d'état. Les différentes probabilités pour les états d'un système physique, l'Univers compris, reflètent simplement qu'il y a une infinité de mondes parallèles dans lesquelles toutes les histoires possibles se déroulent.

La soi-disant réduction du vecteur d'état et les bizarrerie quantiques ne sont que des illusions. Elles sont seulement dues au fait que nous faisons partie d'une seule histoire parmi tous ces Univers possibles dans lesquels des copies de nous-mêmes vivent des histoires différentes bien que déterminées de façon rigoureuses.

Cette théorie des mondes multiples est certainement aussi folle que celle proposée par Von Neumann, et surtout Wigner. Cela ressemble à de la métaphysique et d'ailleurs Wigner lui-même, comme Schrödinger et Oppenheimer, ne cachait pas ses sympathies pour la philosophie hindoue. Il n'en reste pas moins que plusieurs théoriciens de renom, dont David Deutsch, soutiennent la théorie de Everret.

Une expérience à l'échelle humaine est peut-être réalisable

Dans ce contexte, et bien que leur travail se limite prudemment et sagement à des considérations positivistes et ne s'éloignant pas de l'expérience, l'article que vient de publier récemment Nicolas Gisin et ses collègues sur l'effet EPR est intéressant.

En effet, l'effet EPR et le phénomène d'intrication quantique qui y intervient sont eux-mêmes étroitement liés à ces questions de réduction du vecteur d'état.

Comme dans l'expérience d'Alain Aspect, il s'agit de produire des paires de photons intriqués dans des états de polarisations donnés. La technique est classique. Il suffit de faire intervenir des effets d'optiques non linéaires. Mais au lieu de mesurer la polarisation des photons à leur échelle avec une chaîne d'appareils qui délivre finalement le résultat de l'expérience à l'échelle macroscopique, un dispositif est introduit qui permet de réduire le vecteur d'état de la polarisation des photons à l'échelle humaine.

L'expérience de pensée proposée par Nicolas Gisin et ses collègues. Un photon d'une paire de photons intriqués est quasiment cloné pour produire une onde électromagnétique macroscopique passant à travers un dispositif. L'onde est réfléchie en deux parties qui traversent deux filtres. Selon son état, polarisée verticalement ou horizontalement, elle traversera ou ne traversera pas l'un des filtres et sera observée à l'œil nu par l'un des deux observateurs humains. Crédit : Nicolas Gisin

En effet, l'un des photons de la paire subit une sorte de processus de copie qui donne un très grand nombre de photons dans le même état de polarisation que le photon initial et toujours intriqués avec l'autre photon. On obtient alors une onde lumineuse macroscopique polarisée. Alors qu'aucune mesure sur la polarisation de ses photons n'a encore été réalisée, deux observateurs humains décident d'utiliser des filtres pour voir dans quel état de polarisation lumineuse est l'onde.

Si l'onde est polarisée avec son vecteur champ électrique vibrant selon l'horizontale ou la verticale, elle passera à travers l'un des filtres et sera donc enregistrée par un œil humain. C'est donc au niveau macroscopique de l'œil que la réduction du paquet d'ondes se produira. Parallèlement, un autre dispositif mesure alors l'état de polarisation du photon de la paire initiale. Si un des observateurs humains trouve un état de polarisation verticale pour l'onde macroscopique, il peut alors prédire que la polarisation de ce photon est horizontale et inversement. Il peut donc constater directement ou presque à l'œil nu l'effet d'intrication quantique et voir qu'effectivement la mesure de l'état quantique d'une partie d'un système intriqué se répercute sur l'autre.

On n'en est pour le moment qu'au stade d'une expérience de pensée mais il est frappant de constater que, de plus en plus souvent, la technologie moderne permet de réaliser concrètement les expériences proposées par les pères fondateurs et les plus grands théoriciens de la mécanique quantique pour en illustrer toute la magie. On se souvient de celle de choix retardé ayant eu lieu il y a quelque temps.

Lorsque cette expérience sera réalisée, on se sera approché un peu plus d'un test portant sur le raisonnement de Von Neumann, avec sa célèbre chaîne de dispositifs s'échelonnant du monde atomique à celui du cerveau humain en passant par l'observation des résultats de mesures au niveau de la rétine et du nerf optique. De quoi, peut-être, ajouter quelques éléments de réflexion aux considérations d'un des plus grands cosmologistes actuels, Andrei Linde. Celles que l'on peut trouver dans un des articles à la page 25 et qui sont développées dans le partie intitulée : Does consciousness matter ?

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