Nouvelles propriétés surprenantes des particules quantiques

Jean-Paul Baquiast 03/08/2014

image Newscientist

Selon la théorie quantique, constamment vérifiée expérimentalement, une particule individuelle, par exemple un neutron, dispose d'une superposition d'état. Ainsi, en ce qui concerne le spin 1) d'une telle particule, celui-ci peut à la fois prendre une valeur de 1 ou un valeur de ½. Ou bien une valeur une valeur de +1 et une valeur de -1. Mais le phénomène ne peut être observé (mesuré) expérimentalement, à partir d'un neutron individuel, en utilisant un appareil de laboratoire qui lui relève de la physique ordinaire. En effet, la mesure « réduit la fonction d'onde » décrivant cette particule et ne fait apparaître que certains des aspects de celle-ci, au détriment de tous les autres. Par exemple, en ce qui concerne le spin du neutron, elle ne fera apparaitre qu'une valeur de 1 ou une valeur de ½, mais non les deux valeurs simultanément. Ce type de mesure, s'appliquant à une particule individuelle, est dite mesure forte (strong measurement)

Ceci dit, dans une publication datée de 1988, le physicien israélien Yakir Aharonov avait montré qu'une forme de mesure différente ne détruisait pas l'état quantique de superposition de la particule. Mais il fallait que cette mesure interagisse très faiblement avec la particule. Ce type de mesure a été nommée mesure faible, « weak measurement ». L'inconvénient du procédé est que les résultats de la mesure étaient affectés d'une très grande incertitude. En pratique, concernant la particule individuelle, on retrouvait donc le principe d'incertitude de la théorie quantique.

Mais Aharonov a montré qu'en procédant à des mesures faibles sur un ensemble de particules identiques, produites par une technique appropriée, ces mesures produisent une courbe en cloche dont le sommet décrit l'état de cet ensemble de particules, autrement dit, puisqu'il s'agit de particules identiques, l'état de l'une de ces particules. Rappelons que lorsque l'on observe, dans un appareil macroscopique, un flux d'un très grand nombre de particules, on obtient des résultats statistiques moyens qui permettent d'utiliser ce flux dans telle ou telle tâche. Mais ces résultats n'indiquent rien sur l'état de chacune des particules individuelles.

A quoi pouvait donc servir la mesure faible prévue par la théorie ? Dans les dernières années, de telles mesures faibles ont pu être faites expérimentalement. Elles ont permis d'étudier des aspects du monde quantique jugés précédemment inobservables. Notamment comme l'a montré Jeff Lundeen de l'Université d'Ottawa, de mesurer la fonction d'onde décrivant un grand nombre de photons identiques. Pour la raison précédemment évoquée, si ces photons étaient identiques, il devenait donc possible de mesurer indirectement la fonction d'onde de chacun de ceux-ci, en lui attribuant une valeur précise et non plus probabiliste. 2)

Le Chat de Cheshire

Un certain nombre d'applications de ces hypothèses ont été faites récemment. L'une d'entre elle, conduite par une équipe autrichienne à l'Institut Laue Langevin de Grenoble, a paru mettre en évidence une propriété suggérée par la mathématique mais non encore expérimentalement démontrée : le fait que des flux de particules, en l'espèce des neutrons, préparés de façon à ce qu'ils disposent d'un spin identique, puissent après avoir été soumis à des mesures faibles, donner naissance d'un côté à des spins sans neutrons et d'un autre à des neutrons sans spins, autrement dit que les particules pouvaient être, le temps de l'expérience, séparées de leurs propriétés quantiques. Les théoriciens avaient nommé cette propriété le « chat de Cheshire » par référence au sourire du chat d'Alice au pays des Merveilles, lequel sourire pouvait être observé indépendamment du chat.3)

A Grenoble, l'équipe a utilisé un interféromètre produisant des champs magnétiques faibles (voir schéma). Il est apparu, au terme d'un expérience que nous ne décrirons pas ici, que sur l'une des branches de l'interféromètre se trouvaient des spins sans neutrons et sur l'autre des neutrons sans spins, l'ensemble se recombinant à la sortie de l'appareil. Autrement dit, il était confirmé que les spins sans neutrons avaient choisi un chemin et les neutrons sans spins un autre. Le chat avait été séparé de son sourire.

Cette expérience a déjà donné naissance à de nombreuses hypothèses et expériences relatives à ce que pourrait être « en réalité » la « réalité quantique ». Certaines suggèrent qu'elles confirment le fait que dans le monde quantique, le temps pourrait s'écouler dans les deux sens, du passé vers le futur et réciproquement.

Ainsi un événement futur pourrait être la cause d'un événement passé. Tous les théoriciens n'admettent pas cette conclusion. Cependant les spécialistes du calcul quantique espèrent pouvoir donner au phénomène du chat de Cheshire des applications utiles à la mise au point de calculateurs quantiques produisant moins d'incertitude. Le phénomène permettrait en effet de séparer les propriétés des particules des particules elles-mêmes, afin de réaliser des calculateurs quantiques plus stables que ceux existants actuellement, trop soumis aux interférences avec le monde macroscopique.

Nous n'en dirons pas plus long ici, sauf à conclure, d'une façon bien peu originale, que le monde quantique qui se révèle tous les jours est encore plus étrange que ne l'affirme sa réputation

Du chat aux pigeons
Voir image (Newscientist)

Aharonov et les équipes développant les hypothèses résumées ci-dessus ne s'en sont pas tenues au paradoxe du chat de Cheshire. Ils ont étudié les conséquences de celles-ci, concernant les effets de la « mesure faible » sur l'état des particules observées. Ils viennent de publier un article (4) étendant leur approche au problème, sans doute infiniment plus complexe et en tous cas contre-intuitif, de l'intrication entre deux particules.

Les pères fondateurs de la mécanique quantique avaient indiqué, à la grande incrédulité d'Einstein, que si deux particules étaient émises de façon à les doter d'un même état quantique, par exemple le spin, elles se comporteraient comme une particule unique. Elles ne pourraient donc pas être décrites individuellement. Toute mesure du spin de l'une affectera le spin de l'autre, même si cette dernière se trouve à l'autre extrémité de l'univers. D'où la conclusion généralement admise aujourd'hui, selon laquelle l'univers quantique n'a que de lointains rapports avec l'univers physique.

Or les récentes hypothèses présentées par les auteurs de l'article élargissent considérablement le concept d'intrication. Celle-ci, selon la théorie quantique, doit avoir été préparée entre deux particules sélectionnées soit en laboratoire, soit dans le cadre d'un phénomène naturel rare. Il en résulte que l'intrication n'affecte qu'un nombre très restreint de particules dans l'univers. Dans la nouvelle hypothèse, Aharonov et ses collègues ont montré que le mécanisme baptisé par eux du nom de post-sélection pouvait intriquer l'état de deux particules, chaque fois que leurs propriétés quantiques étaient mesurées, et ceci où qu'elles se trouvent dans l'univers. Le terme de post-sélection signifie que les propriétés d'un système à un temps t peuvent être influencées par des mesures faites dans le futur, à un temps t+1.

Qu'est-ce que la post-sélection ? Il s'agit d'un dispositif inspiré de l'interféromètre mentionné en début de cet article. Si l'on envoie trois électrons simultanément dans l'interféromètre, celui-ci sépare chaque électron en deux, selon deux voies suivies en parallèle, puis il les réunit à nouveau. Si alors on mesure l'état des électrons à leur sortie de l'interféromètre, en les sélectionnant dans un état différent de celui qu'ils avaient en entrant dans la machine, l'on crée un lien quantique, autrement dit une intrication, entre ces électrons. Autrement dit, la post-sélection influence les états passés de ces électrons.

Pour le montrer, il faut préciser comment les électrons se comportent dans le système. La superposition d'état, autre propriété des particules quantiques, signifie que chaque électron peut se retrouver à l'identique dans les deux chemins simultanément. Si deux électrons partagent le même chemin, leurs charges électriques identiques les repoussent, ce qui infléchit leur trajectoire, même légèrement. Cette inflexion est détectée à la sortie de l'interféromètre. Du fait de la superposition, rien ne permettrait d'affirmer que tel électron se trouve dans telle branche ou dans l'autre. Mais si l'on mesure (post-sélection) les chemins de l'une ou l'autre des deux paires d'électrons, aucune déflexion n'est détectable. Un lien existe donc entre les électrons. Chacun d'eux connait l'emplacement de l'autre et l'évite.

D'où l'image des pigeons, ou du pigeonnier quantique. L'on peut avoir trois pigeons dans deux pigeonniers, et pourtant aucun pigeonnier ne comportera deux pigeons. Ceci d'ailleurs quelque soit le nombre des pigeons. Même avec un millier de pigeons, il n'y en aura toujours qu'un dans chacun des deux pigeonniers. Cet effet constitue la façon la plus simple de tester l'idée que des particules non corrélées peuvent se trouver intriquées simplement parce qu'elles ont fait l'objet d'une post-sélection.

Or comme les mesures correspondantes se produisent en permanence, soit du fait des humains, soit pour des causes naturelles, les particules mesurées se retrouvent intriquées, fussent-elles réparties n'importe où dans l'univers, et ceci sans avoir fait l'objet d'une préparation préalable. En conclura-t-on que toutes les particules de l'univers peuvent se retrouver intriquées, sans avoir été préparées à l'avance ? Théoriquement, l'hypothèse paraît plus que crédible, dans les termes où l'expérience de pensée est formulée.

Encore faudra-t-il qu'une expérience réelle soit réalisée, sans doute en utilisant l'interféromètre précédent, et les « mesures faibles » précédemment décrites. Ceci ne devrait pas tarder, si la question continue à être explorée. En fait la nouveauté dans ces affaires repose sur le concept de mesure faible. Va-t-elle remplacer dans la pratique la mesure forte traditionnelle. Et que devient en ce cas de l’image que l’on peut se donner des particules, qu’il s’agisse d’électrons ou de neutrons ou de tout autre ensemble microscopique. Sont-elles soumises à indétermination, si celle-ci dépend du type de mesure auquel l’on procède ?

Les physiciens, cosmologues et philosophes ne manqueront pas d'y réfléchir. Cette nouvelle propriété de l'intrication entre particules pourrait expliquer pourquoi l'univers fonctionne comme un immense ordinateur quantique, selon l'hypothèse de Seth Loyd.

Quant aux artistes, l'un d'eux très vite sans doute nous montrera comment nous pourrions nous représenter un pigeon de Cheshire.

Sources

1) Le spin d'une particule est son moment angulaire intrinsèque, ou le sens de rotation de cette particule. Le spin est une propriété quantique, il ne peut prendre que des valeurs entières ou demi-entières.
2) voir Direct measurement of the quantum wavefunction
3) voir Observation of a quantum Cheshire Cat in a matter wave interferometer experiment
4) voir The quantum pigeonhole principle and the nature of quantum correlations
5) Sur l'ensemble de ces thèmes, voir NewScientist Quantum split : Particle this way, properties that way, ainsi que Pigeon paradox reveals quantum cosmic connections