Les inégalités de Bell définitivement prouvées

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Les inégalités de Bell définitivement prouvées

L’étrangeté de la mécanique quantique vient d’être vérifiée par une expérience qui corrige les failles repérées lors des tentatives précédentes testant les inégalités de Bell. Un exploit!

De tous les concepts de la mécanique quantique, l’intrication est l’un des plus étranges. L’intrication est le principe selon lequel deux particules (des électrons par exemple) peuvent être liées l’une à l’autre, de telle manière que lorsque l’on mesure les propriétés de l’une, celles de l’autre sont modifiées instantanément, sans que l’on y touche et quelle que soit la distance à laquelle elle se trouve de la première.
Pour Albert Einstein, un tel phénomène était invraisemblable. L’équipe de Ronald Hanson, de l’université de technologie de Delft, aux Pays-Bas, en a pourtant fourni une preuve décisive à l’automne 2015 : son dispositif, aux proportions spectaculaires, apporte la première démonstration dans laquelle toutes les failles précédemment identifiées sont éliminées.

La mécanique quantique apparaît dans les années 1920, sous l’impulsion de physiciens comme Max Planck, Werner Heisenberg et Paul Dirac, pour expliquer ce qui est insondable pour la physique jusqu’alors : le fonctionnement du monde de l’infiniment petit. Dès 1927, Albert Einstein la critiqua en essayant de prouver qu’elle était incomplète. Son opposition était d’ordre philosophique : Einstein était attaché au principe de réalisme, il pensait donc qu’une théorie scientifique doit décrire les systèmes physiques. Or la théorie quantique implique que la description de certains systèmes physiques – les particules subatomiques, certains phénomènes sensibles à l’échelle macroscopique – est dépendante des moyens utilisés pour les explorer et les mesurer. En outre, elle viole un principe cher à Einstein : l’idée selon laquelle rien ne peut aller plus vite que la lumière. Afin de compléter la mécanique quantique, Einstein avance l’idée des variables cachées : il existe des paramètres physiques hypothétiques, non pris en compte par les postulats de la mécanique quantique, et qui sont capables de pré-programmer deux particules à se comporter de manière corrélée.

inégalités de Bell

DE LA PHILOSOPHIE À LA SCIENCE

Au milieu des années 1960, John Bell, un physicien britannique du Cern, à Genève, teste la proposition d’Einstein en termes mathématiques. Il s’appuie sur un certain nombre de paramètres qui constituent les variables cachées. Le premier est le principe de localité, d’après lequel un signal ne peut se propager entre deux particules à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans le vide (environ 300 000 kilomètres par seconde). Le deuxième est le principe de causalité : les propriétés d’une particule sont intangibles, et indépendantes de la mesure. Le troisième, et dernier, est le principe de réalité : chaque particule possède des propriétés propres, véhiculées avec elles.
Ce travail théorique permet à John Bell d’établir que l’idée d’Einstein ne fonctionne que dans une certaine limite, aujourd’hui connue sous le nom d’inégalités de Bell. Si cette limite est franchie, l’inclusion des variables cachées aboutit à une contradiction avec les prédictions quantiques. En d’autres termes : au-delà de cette limite mathématique, les variables cachées ne permettent plus d’expliquer la corrélation entre deux particules intriquées, ce qui signifie qu’elles n’existent pas.
Grâce à John Bell, le débat, presque philosophique, devient débat scientifique. De fait, des physiciens se mettent à concevoir des expériences pour tester le théorème du scientifique britannique. Les premières sont menées aux États-Unis dans les années 1970. Mais le premier test convaincant est réussi par un trio français de l’Institut d’optique théorique et appliquée, situé à l’université Paris-Sud à Orsay.

PREMIÈRE EXPÉRIENCE FRANÇAISE

Dans leur expérience, Alain Aspect, Philippe Grangier et Gérard Roger utilisent des paires de photons, qu’ils séparent l’un de l’autre par une grande distance. Puis, avec deux dispositifs indépendants, ils réalisent des mesures sur chacun des photons, dans un intervalle de temps suffisamment court pour que les deux particules n’aient pas le temps d’échanger d’informations par une voie classique. Même si l’efficacité du dispositif reste faible, leur résultat est éloquent : ils observent des violations des inégalités de Bell extrêmement fortes. En d’autres termes, les trois hommes apportent la première démonstration du fait que les variables cachées n’existent pas, et que l’intrication quantique obéit bien au principe d’«action fantôme à distance» tant décrié par Einstein.

« Nous avions précisément 4,7 microsecondes pour effectuer les mesures sur chaque électron »

Ronald Hanson, de l’université de technologie de Delft (Pays-Bas)

De multiples expériences tout aussi convaincantes suivirent cette première historique. Les systèmes expérimentaux étaient variés : au lieu d’étudier des photons, les physiciens s’intéressaient à des ions, ou à d’autres particules. Mais, à chaque fois, le résultat fut le même : les corrélations étaient trop fortes pour qu’elles soient explicables par les variables cachées. Pourquoi alors, le débat sur les inégalités de Bell n’est-il pas clos depuis longtemps? Parce que, pour certains physiciens, un doute subsistait. En effet, toutes ces expériences, aussi convaincantes soientelles, avaient une faille, qui pouvait être de deux types : faille de détection ou faille de localité. «La faille de détection correspond au problème rencontré par exemple par l’équipe d’Alain Aspect, explique Ronald Hanson. Certaines des particules utilisées dans l’expérience – voire une large majorité – ne sont pas détectées, les chercheurs sont donc contraints de supposer que les particules qu’ils arrivent à étudier sont représentatives de toutes les autres.» La faille de localité, elle, concerne les expériences où les dispositifs de mesure des propriétés des particules sont trop proches l’un de l’autre. «Dans ce cas, reprend le physicien néerlandais, le taux de détection approche les 100 %, mais surgit un autre problème : il est possible qu’un signal se soit propagé entre les deux dispositifs et ait influé sur le résultat.»
Dans leur expérience, Ronald Hanson et ses 18 collègues ont donc veillé à combler ces deux failles à la fois. Pour cela, ils ont préparé avec soin leur système intriqué. Leur choix s’est porté sur des paires d’électrons, emprisonnés dans des diamants de taille microscopique. Les diamants, refroidis à une température proche du zéro absolu (-273,15 °C), étaient placés dans des laboratoires distants de 1 280 mètres.

245 ESSAIS FRUCTUEUX

Pour intriquer les électrons, les physiciens intriquaient d’abord dans chaque laboratoire, à l’aide de micro-ondes, le spin de chaque électron (une propriété quantique qui s’apparente à une aimantation) avec un photon. Puis ils envoyaient les photons l’un vers l’autre via une fibre optique, en un troisième point. Si – et seulement si – les deux photons arrivaient simultanément à ce troisième lieu et interféraient correctement, les électrons auxquels ils étaient reliés devenaient intriqués. «Cela nous laissait alors précisément 4,7 microsecondes pour effectuer les mesures sur chaque électron, avant qu’un signal se déplaçant à la vitesse de la lumière soit susceptible de fausser notre résultat», indique Ronald Hanson. Pendant vingt-deux heures, réparties sur neuf jours, l’équipe a ainsi répété ce processus. Au total, elle a enregistré 245 essais d’intrication fructueux, qui ont tous donné le même résultat : une violation claire et nette des inégalités de Bell, et donc une invalidation de l’idée des variables cachées d’Einstein.
«C’est une expérience historique!» , s’enthousiasme Eleni Diamanti, de Télécom ParisTech, qui guettait ce résultat depuis quelque temps. «Ce qui m’impressionne le plus, c’est le fait que ce résultat a été obtenu à l’aide d’électrons emprisonnés dans des diamants, confie Nicolas Gisin, de l’université de Genève. En effet, presque tout le monde pariait plutôt soit sur des photons, soit sur des atomes. Cela illustre les développements très rapides de cette méthode, qui est pourtant la plus récente.»
«Le faible taux de production des paires intriquées et la complexité du dispositif font que l’on est encore loin de pouvoir s’en servir pour bâtir des systèmes de communication quantique au niveau de sécurité absolu, tempère Philippe Grangier. Mais ce travail marque incontestablement une étape importante, car il ouvre de nouvelles perspectives en information quantique.»

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Ayoub Belkadi
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