Intrication effrayante

La saison effrayante bat son plein. Pour certains, le plaisir d’Halloween est synonyme de sursauts de peur dans les films d’horreur. Pour d’autres, c’est la douce récompense d’une nuit de collecte de bonbons. Mais dans le monde de la physique, « effrayant » ne signifie pas peur et plaisir. Il est plutôt associé à un phénomène quantique qu’Einstein a décrit dans une lettre à Max Born, un physicien qui a ouvert la voie à la mécanique quantique, comme « spukhafte Fernwiwirkung », ou « action effrayante à distance ».

Ce phénomène inhabituel est appelé intrication quantique, et il se produit lorsque deux ou plusieurs particules quantiques deviennent liées. Il n’y a pas de connexion physique qui les relie – pas de fil d’or invisible – mais le comportement d’une particule intriquée influencera l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Lorsqu’elle a été proposée pour la première fois, l’intrication a remis en question deux notions de la physique classique : la localité, qui dit qu’un objet ne peut être influencé que par quelque chose à proximité, et le réalisme, l’idée que les objets ont des propriétés bien définies, que nous les regardions ou non.

Einstein a contribué à créer la physique quantique, une branche de la physique vieille de plus de 100 ans, mais il pensait que c’était une théorie incomplète. « Il a reconnu qu’elle était correcte – il ne pensait pas qu’elle était complètement folle – mais il pensait que ce n’était qu’un tremplin vers un meilleur modèle », explique Damian Pope, scientifique de sensibilisation à l’Institut Périmètre.

Les hésitations d’Einstein l’ont conduit à publier un article avec les physiciens Boris Podolsky et Nathan Rosen en 1935 qui remettait en question l’exhaustivité de la mécanique quantique. Surnommé l’article « EPR », les auteurs ont réalisé une expérience de pensée sur deux particules intriquées, concluant que la mécanique quantique désobéissait aux concepts de localité et de réalisme, qui étaient à l’époque des manières acceptées de comprendre notre monde physique. Einstein et ses collègues ont conclu que la mécanique quantique n’incluait pas tous les éléments de la réalité physique et qu’elle était donc une théorie incomplète.

En 1964, un physicien du nom de John Stewart Bell a publié un article s’attaquant à l’expérience de pensée de l’article EPR. Ses calculs – depuis prouvés corrects dans des expériences (y compris les travaux d’Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger qui ont remporté conjointement le prix Nobel de physique en 2022) – ont montré qu’il n’y a pas de variables cachées locales sous-jacentes au lien entre les particules intriquées. En d’autres termes, la mécanique quantique viole en fait la localité. C’est effrayant en effet.

Visualiser des particules intriquées n’est pas une tâche facile, mais Pope propose un visuel simple pour le comprendre. Imaginez que vous avez deux pièces de monnaie. Retournez-les en même temps et observez les résultats : parfois, elles seront identiques (pile ou face), tandis que d’autres fois, vous aurez une face et une face et elles seront en désaccord. Bien qu’elles forment une « paire assortie », une pièce n’affecte pas le résultat du lancer de l’autre pièce. C’est ainsi que fonctionnent les relations dans le monde familier de tous les jours.

L’intrication est également une connexion, mais au lieu d’être entre des pièces de monnaie ou d’autres objets familiers, elle se produit entre deux particules quantiques. Et les particules quantiques ne suivent pas les mêmes règles que le monde de la physique classique. Si vous enchevêtrez deux « pièces de monnaie quantiques » de sorte que l’une concorde toujours avec l’autre, elles se retrouveront toujours face ou pile. L’intrication conduit à des connexions que vous ne pouvez tout simplement pas obtenir dans le monde de tous les jours.

Jusqu’à ce qu’elles soient observées, les particules quantiques n’existent pas dans un état fixe. « Certaines personnes en parlent comme d’une réalité floue », explique Damian. « Avant que vous ne regardiez un atome, il n’a pas encore décidé s’il sera ici », dit-il en désignant la table devant lui, « ou ici, ou ici. Il est en quelque sorte dans un étrange état d’incertitude, sans avoir décidé. Jusqu’à ce que vous le regardiez, et alors vous le voyez ici », dit-il en désignant fermement un endroit devant lui.

Prenons notre exemple de pièce de monnaie dans le monde quantique. Imaginons que deux personnes reçoivent chacune une pièce de monnaie quantiquement intriquée. Les deux personnes se rendent en voiture aux extrémités opposées du Canada : la personne A se rend à Vancouver, en Colombie-Britannique, et la personne B à St. John’s, à Terre-Neuve-et-Labrador. Elles lancent toutes les deux leur pièce de monnaie en même temps et la personne A découvre que sa pièce de monnaie est pile – instantanément, plus rapidement que la vitesse de la lumière, elle saurait que la pièce de St. John’s est également pile. Mais c’est là que les choses se compliquent encore plus : avant qu’elle ne soit lancée, la pièce de monnaie de Vancouver avait autant de chances d’être pile ou face. C’est seulement au moment où la pièce a été lancée et « posée » sur pile que la pièce de St John’s est devenue pile.

Échangez des pièces de monnaie contre des particules quantiques et vous obtenez l’intrication quantique : deux objets dont l’état détermine celui de l’autre, quelle que soit la distance.

Bien que nous comprenions beaucoup de choses sur l’intrication, dit Pope, il reste encore beaucoup à découvrir.

« Nous ne comprenons pas vraiment comment cela fonctionne, ni comment fonctionne quoi que ce soit en physique quantique. Mais pour moi, c’est passionnant, pas déprimant. Et même si nous ne le comprenons pas complètement, nous pouvons l’utiliser comme un outil », explique Pope. « Je ne comprends pas complètement comment fonctionne l’électronique de la télécommande de ma télévision, mais je sais comment l’utiliser et sur quels boutons appuyer. Pour moi, l’intrication quantique est un peu comme ça. »

Pope dit que l’intrication quantique n’est pas vraiment effrayante. Au contraire, il s’agit plutôt d’un « couteau suisse de la physique quantique » et les physiciens de l’Institut Périmètre l’utilisent pour faire des recherches sur les ordinateurs quantiques, les états de la matière, la gravité quantique et d’autres sujets de recherche émergents.

Il est peut-être temps de mettre un terme à l’expression « effrayante » de l’intrication quantique. Gardons les frissons et les émotions fortes pour la nuit d’Halloween et considérons plutôt l’intrication quantique comme une méthode passionnante pour découvrir le fonctionnement du monde quantique.