Le darwinisme quantique: une idée expliquant la réalité objective passe le premier test

Trois expériences ont confirmé le darwinisme quantique - une théorie qui explique comment les probabilités quantiques peuvent générer une réalité classique objective

Il n'est pas surprenant que la physique quantique ait la réputation d'une science étrange et contre-intuitive. Le monde dans lequel nous vivons ne nous semble pas mécanique quantique. Et jusqu'au 20e siècle, tout le monde supposait que les lois classiques de la physique, déduites par Isaac Newton et d'autres scientifiques - selon lesquelles les objets ont toujours des positions et des propriétés précisément définies - fonctionnent à toutes les échelles. Mais Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr et leurs autres contemporains ont constaté qu'au fond, parmi les atomes et les particules subatomiques, cette spécificité disparaît, se transformant en un gâchis de possibilités. Par exemple, on ne peut généralement pas attribuer un certain emplacement à cela - nous ne pouvons calculer que la probabilité de le trouver à un endroit particulier. Une question désagréable se pose: comment les probabilités quantiques se combinent-elles en une image claire du monde classique?

Les physiciens appellent parfois cette transformation une «transition quantique classique». Mais en fait, il n'y a aucune raison de croire que les grands et les petits ont des règles fondamentalement différentes, ou qu'il y a un grand saut entre eux. Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont très bien compris comment la mécanique quantique devient inévitablement classique par l'interaction d'une particule ou d'un autre système microscopique avec son environnement.

L'une des idées les plus remarquables de cette plate-forme théorique est que certaines propriétés des objets que nous associons à la physique classique - par exemple, l'emplacement et la vitesse - sont sélectionnées à partir d'un menu de possibilités quantiques dans un processus un peu comme la sélection naturelle dans l'évolution: les propriétés survivantes se révèlent être, en un sens, le plus «approprié». Comme dans la sélection naturelle, ceux qui font plus de copies d'eux-mêmes survivent. Cela signifie que plusieurs observateurs indépendants peuvent mesurer le système quantique et se mettre d'accord sur les résultats - qui est le critère du comportement classique.


Chaoyang Lu et Jian-Wei Pan de l'Université des sciences et technologies de Hefei en Chine

Cette idée, appelée «darwinisme quantique» (CD), explique bien pourquoi nous percevons le monde qui nous entoure de cette manière, et non de façon étrange qui se manifeste à l'échelle des atomes et des particules fondamentales. Et tandis que les détails du puzzle ne sont toujours pas clairs, le CD aide à combler l'écart apparent entre les physiciens quantiques et classiques.

Et ce n'est que récemment que les CD ont pu vérifier expérimentalement. Trois groupes de recherche indépendants d'Italie, de Chine et d'Allemagne cherchaient une caractéristique de la sélection naturelle - de multiples «empreintes» du système quantique dans divers environnements contrôlés. Jusqu'à présent, ces tests sont menés à un niveau rudimentaire, et les experts disent qu'il reste beaucoup à faire avant de pouvoir affirmer en toute confiance que le CD nous donne une véritable image de la façon dont notre réalité concrète émerge des nombreuses options offertes par la mécanique quantique. Mais pour l'instant, la théorie se confirme.

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Au cœur du CD se trouve l'idée ambiguë de mesurer, c'est-à-dire d'observer. En physique classique, nous voyons tout comme tel. On voit une balle de tennis faire 200 km à l'heure car elle a une telle vitesse. De quoi d'autre pouvons-nous parler?

En physique quantique, ce n'est pas le cas. Il n'est pas du tout évident que les procédures mathématiques formelles parlent d'un «état de choses» concernant un objet quantique. Ils représentent une certaine description, qui indique ce que nous pouvons rencontrer après la mesure. Prenons, par exemple, le fait qu'une particule quantique peut avoir plusieurs états possibles à la fois - cet état de fait est appelé «superposition». Cela ne signifie pas que la particule est dans plusieurs états à la fois - cela signifie que lorsque nous prenons la mesure, nous verrons l'un de ces résultats. Et avant la mesure, différents états interfèrent les uns avec les autres à la manière des ondes, donnant des résultats avec une probabilité plus ou moins grande.

Mais pourquoi ne voyons-nous pas de superposition quantique? Pourquoi toutes ces probabilités d'états différents d'une particule ne survivent-elles pas, augmentant à l'échelle humaine?

On dit souvent que la superposition est une chose fragile, il est facile de la casser lorsqu'un système quantique entre en collision avec un environnement bruyant. Mais ce n'est pas tout à fait vrai. Deux objets quantiques, en interaction, sont "enchevêtrés" l'un avec l'autre, entrant dans un état quantique général dans lequel les probabilités de leurs propriétés commencent à dépendre l'une de l'autre. Supposons que nous plaçons un atome dans une superposition de deux états possibles de sa propriété quantique appelée «spin»: les états «haut» et «bas». Nous libérons un atome dans l'air, où il entre en collision avec une molécule d'air et s'enchevêtre. Maintenant, ils sont en superposition conjointe. Si le spin de l'atome est dirigé vers le haut, alors la molécule d'air peut être repoussée dans un sens, et si vers le bas, puis dans l'autre, ces deux possibilités existent ensemble. Avec une augmentation du nombre de collisions avec d'autres molécules d'air, l'intrication se propage et la superposition, qui ne s'appliquait autrefois qu'à cet atome, devient encore plus dispersée. Les états d'un atome n'interfèrent plus de manière cohérente les uns avec les autres, car maintenant ils sont enchevêtrés avec d'autres états de l'environnement - y compris, éventuellement, un grand instrument de mesure. Pour cet instrument, tout semble avoir disparu de la superposition de l'atome, et il a été remplacé par un menu d'états classiques possibles qui n'interfèrent plus les uns avec les autres.

Ce processus, dans lequel la «quantum» disparaît dans l'environnement, est appelé décohérence. C'est une partie importante de la transition quantique-classique, expliquant pourquoi le comportement quantique est difficile à voir dans les grands systèmes avec de nombreuses particules en interaction. Ce processus est extrêmement rapide. Si une particule de poussière conventionnelle dans l'air reçoit une superposition quantique de deux emplacements physiques différents situés à une distance de la largeur de cette particule de poussière, les collisions avec les molécules d'air entraîneront une décohérence - l'indétectabilité de la superposition - dans environ 10 à ³¹ s. Même dans le vide, les photons de lumière provoquent rapidement la décohérence: vous ne pouvez pas regarder un grain de poussière sans détruire sa superposition.

Étonnamment, bien que la décohérence soit une conséquence directe de la mécanique quantique, le physicien allemand Heinz-Dieter Zee ne l'a découverte que dans les années 1970. Un physicien américain d'origine polonaise, Wojciech Zurek, a élaboré cette idée au début des années 1980 et lui a ajouté de la renommée, et maintenant des expériences la soutiennent également.


Wojciech Zurek, physicien théoricien au laboratoire national Los Alamos

Cependant, pour expliquer l'apparition d'une réalité objective et classique, il ne suffit pas de dire simplement que la décohérence élimine tout comportement quantique et donc pour l'observateur tout a l'air classique. Certains observateurs peuvent en quelque sorte s'accorder sur les propriétés des systèmes quantiques. Zurek, qui travaille au Los Alamos National Laboratory au Nouveau-Mexique, pense que deux conditions sont vraies.

Premièrement, les systèmes quantiques doivent avoir des états particulièrement résistants à la décohérence destructrice exercée par l'environnement. Zurek les appelle «états indicatifs», car ils peuvent être encodés à travers les états possibles du pointeur sur le cadran de l'outil de mesure. L'emplacement spécifique de la particule, sa vitesse, la valeur du spin quantique, la direction de polarisation - tout cela peut être écrit comme la position du pointeur sur l'outil de mesure. Zurek soutient que le comportement classique - l'existence de propriétés objectives bien définies et stables - n'est possible qu'en raison de l'existence d'états indicatifs d'objets quantiques.

D'un point de vue mathématique, la particularité des états indicatifs est qu'ils ne sont pas perturbés par les interactions avec l'environnement qui provoquent la décohérence: l'état indicatif est soit préservé soit devient presque identique. Cela signifie que l'environnement n'écrase pas sans discernement, mais sélectionne certains états, détruisant d'autres. Par exemple, l'emplacement d'une particule résiste à la décohérence. Mais en même temps, les superpositions de divers emplacements ne sont pas des états indicatifs: les interactions avec l'environnement les décodent en états indicatifs localisés, de sorte qu'il devient possible d'observer un seul d'entre eux. Zurek a décrit cette «super-sélection générée par l'environnement» des états indicatifs dans les années 1980.

Mais il y a une seconde condition à laquelle une propriété quantique doit obéir pour être observée. Bien que l'immunité à l'interaction avec l'environnement garantisse la stabilité de l'état indicatif, nous obtenons encore en quelque sorte beaucoup d'informations à ce sujet. Et cela n'est possible que s'il est imprimé sur l'environnement de l'objet. Par exemple, lorsque vous voyez un objet, ces informations pénètrent dans votre rétine grâce aux photons qui s'y dispersent. Ils vous transmettent ces informations sous forme de copies partielles de certains aspects de l'objet, en disant quelque chose sur son emplacement, sa forme et sa couleur. Pour que de nombreux observateurs soient d'accord avec la valeur mesurée, de nombreuses copies de ce type sont nécessaires - et c'est un critère de l'image classique du monde. Ainsi, comme l'a affirmé Zurek dans les années 2000, notre capacité à observer une certaine propriété dépend non seulement du fait qu'elle a été choisie comme état indicatif, mais également de la force de l'empreinte qu'elle laisse sur l'environnement. Seules les conditions qui permettent le mieux de réaliser des copies - pour ainsi dire, les plus adaptées d'entre elles - peuvent être observées. Par conséquent, Zurik appelle cette idée le darwinisme quantique.

Il s'avère que la même propriété de stabilité qui favorise l'apparition d'une super-sélection d'états indicatifs sous l'influence de l'environnement contribue également à l'adaptabilité selon le principe du CD, c'est-à-dire la possibilité de créer vos propres copies. "L'environnement d'observation conduit à la décohérence des systèmes", a déclaré Zurek, "et le même processus qui est responsable de la décohérence devrait laisser de nombreuses copies d'informations dans l'environnement".

Surcharge d'informations

Bien sûr, peu importe si les informations sur le système quantique qui sont imprimées sur son environnement sont lues par un observateur - une personne; tout ce qui est nécessaire pour l'apparition d'un comportement classique, pour que l'information y apparaisse, afin qu'elle puisse être considérée en principe. «Il n'est pas nécessaire que le système soit étudié dans un sens formel», de sorte qu'il se transforme en un système classique, a déclaré Jess Riedel , physicien de l'Institut de périmètre de physique théorique de Waterloo, un partisan de CD. "On suppose que le CD explique ou aide à expliquer toute la physique classique, y compris les objets macroscopiques de tous les jours qui existent en dehors du laboratoire ou existent bien avant l'apparition de l'homme."

Il y a dix ans, lorsque Riedel était un étudiant diplômé de Zurek, ils ont théoriquement montré que les informations d'un système quantique simple et idéalisé «laissaient un grand nombre de copies dans l'environnement», a déclaré Riedel, «il suffit donc d'accéder à une petite partie de l'environnement pour découvrir la signification des variables» . Ils ont calculé qu'un grain de poussière d'un diamètre de 1 μm, éclairé par le Soleil pendant 1 μs, imprime des informations sur sa localisation par 100 millions de photons diffusants.

C'est à cause de cette redondance qu'il existe des propriétés classiques objectives. Dix observateurs peuvent mesurer l'emplacement d'un grain de poussière et le trouver au même endroit, car chacun a une copie séparée des informations. En ce sens, nous pouvons attribuer un grain de poussière à un «emplacement» objectif, non pas parce qu'il «l'a» (quoi que cela signifie), mais parce que l'état de son emplacement peut imprimer un grand nombre de ses copies dans l'environnement, de sorte que différents les observateurs parviendront à un consensus.

De plus, vous n'avez pas besoin de suivre la plupart de l'environnement pour collecter presque toutes les informations possibles - et vous n'obtiendrez aucun avantage si vous suivez plus d'un petit pourcentage de l'environnement. "Les informations que vous pouvez collecter sur le système sont rapidement saturées", a déclaré Riedel.

Cette redondance est une caractéristique du CD, a expliqué Mauro Paternostro , physicien à l'Université Queen's à Belfast, qui a participé à l'une des trois nouvelles expériences. "Cette propriété caractérise la transition vers l'image classique", a-t-il déclaré.

CD défie le mythe répandu de la mécanique quantique, comme le dit le physicien théoricien Adan Cabello de l'Université de Séville en Espagne, à savoir: que la transition entre le monde quantique et classique n'est pas claire, et que la théorie quantique ne peut pas décrire les résultats des mesures. Au contraire, dit-il, "la théorie quantique décrit parfaitement l'apparence du monde classique".

La question de savoir comment parfaitement parfait reste ouverte. Certains chercheurs pensent que la décohérence et le CD donnent une description complète de la transition quantique-classique. Mais, bien que ces idées tentent d'expliquer pourquoi, à grande échelle, la superposition disparaît et qu'il ne reste que des propriétés «classiques» concrètes, la question demeure de savoir pourquoi les mesures donnent des résultats uniques. Lorsqu'un emplacement spécifique d'une particule est sélectionné, qu'advient-il des autres possibilités découlant de sa description quantique? Étaient-ils réels dans un sens? Les chercheurs sont obligés de s'en tenir littéralement aux interprétations philosophiques de la mécanique quantique, car personne ne peut comprendre comment obtenir une réponse à cette question dans une expérience.

Au laboratoire

Sur le papier, le CD semble assez convaincant. Et jusqu'à récemment, c'était tout ce dont il pouvait se vanter. Mais au cours de l'année écoulée, trois équipes de chercheurs ont indépendamment soumis la théorie à des tests expérimentaux, étudiant sa principale caractéristique: la façon dont les systèmes quantiques impriment leurs copies sur leur environnement.

Les expériences dépendaient de la capacité de suivre en détail exactement quelles informations sur le système quantique sont imprimées sur son environnement. Cela ne peut pas être fait dans le cas, par exemple, lorsqu'un grain de poussière vole avec d'innombrables milliards de molécules d'air. Les deux équipes ont donc créé un objet quantique dans une sorte «d'environnement artificiel», qui ne contenait que quelques particules. Les deux expériences - dont l'une a été menée par Paternostro avec des collègues de l'Université Sapienza de Rome, et l'autre par l'expert en information quantique Jian-Wei Pan et ses co-auteurs de l'Université des sciences et technologies de Chine - ont utilisé un seul photon comme système quantique et plusieurs autres photons ont été joués. le rôle de l'environnement, l'interaction avec lui et l'envoi d'informations à son sujet.

Les deux équipes ont transmis des photons à travers des dispositifs optiques en les combinant en plusieurs groupes complexes. Ensuite, ils ont étudié les photons de l'environnement pour découvrir quelles informations sur l'état indicatif du photon du système qu'ils codaient - dans ce cas, c'était la polarisation (l'orientation des champs électromagnétiques oscillants), l'une des propriétés quantiques qui pouvaient passer à travers le filtre de sélection de CD.

La prédiction clé du CD est l'effet de saturation. Presque toutes les informations que vous pouvez collecter sur le système quantique seront à votre disposition si vous suivez un très petit nombre de particules dans l'environnement. "Toute petite fraction de l'environnement en interaction sera suffisante pour fournir le maximum d'informations classiques concernant le système observé", a déclaré Pan.

C'est exactement ce que deux équipes ont découvert. Les mesures d'un seul photon de l'environnement ont révélé de nombreuses informations disponibles sur la polarisation du photon systémique, et la mesure d'une plus grande fraction des photons environnants a donné de moins en moins de nouvelles informations. Même un seul photon peut servir d'environnement provoquant la décohérence et la sélection, a expliqué Pan, s'il interagit assez activement avec un seul photon systémique. Avec des interactions plus faibles, vous devrez suivre une grande partie de l'environnement.


Fedor Zhelezko, directeur de l'Institut d'optique quantique, Université d'Ulm en Allemagne


Diamant synthétique

La troisième vérification expérimentale de CD sous la direction d'un physicien spécialisé en optique quantique, Fedor Zhelezkode l'Institut d'optique quantique de l'Université d'Ulm en Allemagne, auquel Zurek et d'autres ont participé, ont utilisé un système et un environnement complètement différents. Ils consistaient en un seul atome d'azote se tenant à la place d'un atome de carbone dans le réseau cristallin du diamant - le soi-disant vacance substituée par l'azote dans le centre de diamant ou NV. Puisqu'il y a un électron de plus dans l'atome d'azote que dans l'atome de carbone, l'électron en excès ne peut pas trouver une paire pour lui-même aux atomes de carbone voisins et former une liaison chimique. En conséquence, un électron non apparié joue le rôle d'un «spin» isolé, qui ressemble à une flèche pointant vers le haut ou vers le bas ou, dans le cas général, dans une superposition des deux directions.

Le spin peut interagir magnétiquement avec les noyaux de carbone qui existent dans l'atome en tant qu'isotope du carbone 13 et représentent environ 0,3% du nombre total d'atomes de carbone. Ces isotopes, contrairement au carbone 12 le plus courant, ont également un spin. En moyenne, chaque rotation du centre NV est fortement associée aux quatre spins de carbone 13 à une distance de 1 nm.

En contrôlant et en suivant les spins avec des lasers et des impulsions radio, les chercheurs pourraient mesurer comment les changements dans le spin de l'azote répondent aux changements dans les spins nucléaires de l'environnement. Comme ils l'ont écrit dans la préimpression de l'œuvre , , : «» , , , .

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Mais bien que ces études, à première vue, soient cohérentes avec CD, elles ne peuvent être considérées comme la preuve que cette théorie est la seule vraie description du processus de création du monde classique, ou même qu'elle est complètement correcte. Pour commencer, dit Cabello, les trois expériences ne donnent que des versions schématiques de ce qu'est l'environnement réel. De plus, les expériences n'excluent pas d'autres façons d'apparaître une image classique du monde. La théorie de la diffusion du spectre développée par Pavel Gorodetsky et ses collègues de l'Université technologique de Gdansk en Pologne, par exemple, tente de généraliser le CD. La théorie de la propagation du spectre (qui a été élaborée jusqu'à présent pour plusieurs cas idéalisés) concerne les états d'un système quantique enchevêtré et son environnement, qui donnent des informations objectives,que de nombreux observateurs peuvent obtenir sans perturber l'état du système. En d'autres termes, elle essaie de garantir non seulement que différents observateurs peuvent accéder à des copies du système dans l'environnement, mais aussi que pendant le processus d'accès, ils n'affectent pas les autres copies. C'est aussi une propriété de dimensions vraiment «classiques».

Gorodetsky et d'autres théoriciens tentent également d'incorporer le CD dans une plate-forme théorique qui ne nécessite pas une division arbitraire du monde en un système et son environnement, mais considère simplement comment la réalité classique émerge des interactions de divers systèmes quantiques. Paternostro dit que la tâche de trouver des méthodes expérimentales qui peuvent déterminer les différences très subtiles entre les prédictions de ces théories peut être difficile.

Pourtant, les chercheurs n'abandonnent pas et devraient eux-mêmes améliorer notre capacité à étudier les principes du monde quantique. "Le meilleur argument pour mener ces expériences est probablement un bon exercice", a déclaré Riedel. "Une démonstration directe de CD peut nécessiter des mesures très complexes qui repoussent les limites des capacités des technologies de laboratoire existantes." La seule façon de comprendre ce que signifient nos mesures semble être de prendre des mesures de meilleure qualité.