Demandez à Ethan: Qu'est-ce qui fait si peur dans l'intrication quantique?

En créant deux photons intriqués dans le système existant, puis en les divisant sur une grande distance, nous pouvons obtenir des informations sur l'état de l'un en mesurant l'état de l'autre

La physique quantique regorge d'énigmes, réputées pour contredire notre intuition. Les particules semblent savoir si vous les regardez ou non, et présentent des comportements différents, selon que vous les regardez ou non, passant par une double fente. La mesure d'une seule quantité, par exemple la position d'une particule, crée son incertitude inhérente à une quantité complémentaire, par exemple, la quantité de mouvement. Et si vous mesurez sa rotation dans le sens vertical, détruisez ensuite les informations sur le dos dans le sens horizontal. Mais le plus «effrayant» de tous les phénomènes quantiques sera l'intrication quantique, lorsqu'une particule semble instantanément «savoir» si le partenaire confondu avec elle a été mesuré, même si cela a été fait à l'autre bout de l'Univers. Cette semaine, nous examinerons la question du lecteur, intriguée par la raison pour laquelle cela est généralement considéré comme un mystère.

Du point de vue des photons, ils ont parcouru une distance nulle en un temps nul. Alors qu'est-ce qui fait peur à ce sujet? Jusqu'à ce que l'un d'eux soit mesuré, ils sont au même endroit et en même temps (si vous les croyez), donc on ne peut pas appeler un mystère qu'ils coordonnent leurs états.

Raisonnement raisonnable: la dilatation temporelle des particules se déplaçant rapidement signifie qu'elles peuvent coordonner leurs états à n'importe quelle vitesse. Mais cette énigme n'est pas si facile à résoudre.


Schéma de la troisième expérience d'Aspe pour vérifier la non-localité quantique. Les photons intriqués de la source sont envoyés à deux commutateurs les dirigeant vers des capteurs polarisants. Les commutateurs changent très rapidement leurs états, modifiant les paramètres du détecteur pendant le vol des photons.

Voyons d'abord la question de l'intrication. L'expérience est généralement réalisée avec des photons: vous transmettez un quantum de lumière à travers un matériau spécial (cristal diffusant), le divisant en deux photons. Ces photons seront enchevêtrés dans un certain sens, c'est-à-dire que si l'un a un spin, le moment angulaire interne est +1, alors l'autre aura -1. Mais lequel nous est inconnu. Vous pouvez même faire des expériences dans lesquelles, après avoir considéré un grand nombre de photons, la différence entre
• résultats statistiques si spin +1,
• résultats statistiques si le spin est -1,
• et des résultats statistiques dans le cas où le spin reste indéfini.

Il est très difficile de visualiser ces résultats, mais en mécanique quantique il y a une merveilleuse analogie: le passage d'une particule à travers un double espace.


Si des électrons, des photons ou toute autre particule passent à travers un double espace, un motif d'interférence apparaît. Mais cela ne se produit que si vous ne vérifiez pas par quel intervalle ils passent!

Si vous passez une particule à travers une double fente - c'est-à-dire un écran avec deux fentes étroites très proches l'une de l'autre - et qu'elle les traverse, au lieu d'être maintenue par l'écran, vous pouvez facilement déterminer où elle se trouvera de l'autre côté. Si vous lancez plusieurs particules une à la fois à travers un double pot, vous constaterez que les particules passant à travers les fissures forment un motif d'interférence. En d'autres termes, chaque particule ne se comporte pas comme si elle avait traversé l'un ou l'autre intervalle; elle se comporte comme si elle passait à travers les deux fentes à la fois, se gênait à la manière d'une vague et continuait de bouger.

Mais cette image, qui démontre la nature étrange de la mécanique quantique de toutes les particules de l'Univers, n'apparaît que si vous ne déterminez pas par quel intervalle la particule passe.


Si vous déterminez à travers quel intervalle une particule passe, en laissant le reste de l'expérience inchangé, vous n'obtiendrez pas du tout une image d'interférence.

Si, au lieu de cela, vous mesurez une particule lorsqu'elle passe à travers l'un des emplacements - cela peut être fait en installant un compteur - vous n'obtiendrez pas d'image d'interférence. Vous obtiendrez un tas de particules correspondant au passage par l'emplacement 1 et un tas pour l'emplacement 2.


La forme d'onde des électrons passant à travers un double espace un à la fois. Si vous mesurez à travers quelle fente un électron est passé, vous détruisez l'image d'interférence quantique. Notez que pour créer une telle image, il faut plus d'un électron.

En d'autres termes, en prenant une mesure qui détermine le chemin choisi par la particule, vous changez le résultat de ce choix! Pour une particule, vous ne pouvez déterminer que la probabilité de passer par la fente 1, la fente 2 ou l'interférence avec elle-même. Plus de statistiques seront nécessaires pour découvrir l'état réel de votre expérience.


Test mécanique quantique de Bell pour les particules de spin demi-entier

Revenons aux photons déroutants. Ou en général à toutes les particules enchevêtrées. Vous créez deux particules enchevêtrées dans lesquelles vous connaissez la quantité totale de leurs propriétés, mais pas les propriétés de chacune d'entre elles. L'exemple le plus simple serait un spin - pour deux photons, il se produira (+1 et -1) ou (-1 et +1), pour deux électrons - (+ ½ et -½) ou (-½ et + ½) - et vous vous ne savez pas lequel aura quel spin, jusqu'à ce que vous le mesuriez. Au lieu de lacunes, vous pouvez les envoyer via un polariseur. Et dès que vous mesurez l'un, vous déterminez l'autre. En d'autres termes, vous le savez instantanément.


Une expérience d'effacement quantique dans laquelle deux particules enchevêtrées sont séparées et mesurées. Aucune action sur l'une des particules à destination n'affecte l'autre.

«Effrayant» est le fait qu'en physique rien d'autre ne se produit instantanément. La vitesse de transmission la plus élevée de tout signal sera égale à s, la vitesse de la lumière dans le vide. Mais ces deux particules enchevêtrées peuvent être divisées en mètres, kilomètres, unités astronomiques ou années-lumière, et la mesure de l'une d'entre elles détermine instantanément l'état de l'autre. Peu importe que les particules enchevêtrées se déplacent avec la vitesse de la lumière ou non, qu'elles aient ou non de la masse, combien d'énergie elles ont, et si vous les isolez les unes des autres afin qu'elles ne s'envoient pas de photons. Il n'y a pas de failles qui permettent à la vitesse d'interaction dans n'importe quel système de référence de compenser en quelque sorte cela. À la fin des années 1990, des expériences avec la séparation et la mesure simultanée de ces particules ont déterminé que si des informations sont transmises entre elles, elles se déplacent 10 000 fois plus vite que la vitesse de la lumière.


Téléportation quantique, qui est souvent confondue avec un voyage plus rapide que la lumière. En réalité, l'information n'est pas transmise plus vite que la vitesse de la lumière.

Mais cela ne peut pas être! En réalité, aucune information n'est transmise. Il est impossible de mesurer une particule en un seul endroit et de l'utiliser pour transmettre quelque chose à une particule située très loin. De nombreux schémas ingénieux ont été développés, conçus pour que, en utilisant cette propriété, transmettent des informations plus rapidement que la lumière, mais en 1993, ils ont prouvé que ce mécanisme ne permettra pas la transmission d'informations. Il y a une explication simple à cela:

• Si vous mesurez «quel est l’état de la particule que j’ai», vous connaîtrez l’état d’une autre particule, mais rien ne peut être fait avec cette information tant que vous n’arrivez pas à une autre particule ou qu’elle ne nous parvient pas, et le message devra disparaître à la vitesse de la lumière ou plus lentement.
• Si vous forcez votre particule existante à prendre un certain état, cela ne changera pas l'état de la particule enchevêtrée. Au contraire, cela détruira l'intrication, de sorte que vous n'apprendrez rien de la deuxième particule.

[ Ethan n'a pas complètement révélé l'essence du problème. Tout ce qui précède peut ne pas vous surprendre si vous imaginez l'analogie avec des gants. Quelqu'un vous a envoyé un gant d'une paire et votre ami un autre. Et lorsque vous ouvrez votre colis, vous reconnaissez instantanément non seulement le gant, gauche ou droit, que vous avez reçu, mais aussi ce que votre ami a reçu. Cependant, dans le cas de particules enchevêtrées, l'état des gants n'est pas initialement déterminé. Et nous ne savons tout simplement pas ou ne savons pas comment le déterminer - il est en fait déterminé au hasard, et précisément au moment de mesurer l'un des «gants». Ensuite, l'autre «gant» prend instantanément l'état opposé. C'est ce qu'Einstein a appelé «une action effrayante à long terme» / env. perev. ]


Si deux particules sont enchevêtrées, les propriétés de leurs fonctions d'onde se complètent et la mesure de l'une détermine les propriétés de l'autre. Mais si la fonction d'onde est une description mathématique abstraite, ou si elle sous-tend les vérités profondes de l'Univers et la réalité déterministe et fondamentale, est une question ouverte.

C'est un problème philosophique pour les réalistes. Cela signifie que la fonction d'onde d'une particule - ou la fonction d'onde enchevêtrée de plusieurs particules - est un véritable objet physique qui existe et évolue dans l'Univers, mais cela nécessite un grand nombre d'hypothèses inconfortables. Il faut supposer qu'il existe un nombre infini de réalités possibles et que nous ne vivons que dans l'une d'entre elles, bien qu'il n'y ait aucune preuve de l'existence d'autres. Si vous êtes instrumentiste (en tant qu'auteur, c'est plus simple et plus pratique), vous n'avez pas ce problème philosophique. Vous tenez simplement pour acquis que la fonction d'onde est un outil de calcul.


Einstein était un réaliste convaincu en matière de mécanique quantique, et il a emporté ce préjugé avec lui. Aucune preuve n'a été trouvée pour étayer son interprétation de la mécanique quantique, bien qu'elle ait encore de nombreux adeptes.

Steven Weinberg, lauréat du prix Nobel, cofondateur du modèle standard et physicien théoricien de génie dans de nombreux domaines, a récemment condamné l'approche de l'instrumentalisme dans la revue Science News, la décrivant comme suit:

Il est si terrible d'imaginer que nous ne connaissons pas tout ce qui existe - nous ne pouvons dire ce qui s'est passé qu'en prenant une mesure.

Mais quelles que soient vos évasions philosophiques, la mécanique quantique fonctionne et la fonction d'onde, enchevêtrant les particules, vous permet de détruire cet enchevêtrement, même à des distances cosmiques. C'est le seul processus instantané de l'Univers que nous connaissons, et donc il se démarque vraiment!

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].