Prix ​​Nobel : les physiciens se partagent le prix pour leurs connaissances sur le monde effrayant de la mécanique quantique

Le prix Nobel de physique 2022 a été décerné à un trio de scientifiques pour des expériences pionnières en mécanique quantique, la théorie couvrant le micro-monde des atomes et des particules.

Alain Aspect de l’Université Paris-Saclay en France, John Clauser de JF Clauser & Associates aux États-Unis et Anton Zeilinger de l’Université de Vienne en Autriche se partageront la somme de 10 millions de couronnes suédoises (915 000 USD) « pour des expériences avec photons, établissant la violation des inégalités de Bell et pionnière de la science de l’information quantique ».

Le monde de la mécanique quantique semble en effet très étrange. À l’école, on nous apprend que nous pouvons utiliser des équations de physique pour prédire exactement comment les choses se comporteront à l’avenir – où ira une balle si nous la dévalons d’une colline, par exemple.

La mécanique quantique est différente de cela. Plutôt que de prédire des résultats individuels, il nous indique la probabilité de trouver des particules subatomiques à des endroits particuliers. Une particule peut en effet se trouver à plusieurs endroits à la fois, avant de « choisir » un emplacement au hasard lorsque nous le mesurons.

Même le grand Albert Einstein lui-même en fut troublé – au point d’être convaincu que c’était mal . Plutôt que des résultats aléatoires, il pensait qu’il devait y avoir des « variables cachées » – des forces ou des lois que nous ne pouvons pas voir – qui influencent de manière prévisible les résultats de nos mesures.

Certains physiciens, cependant, ont embrassé les conséquences de la mécanique quantique. John Bell, un physicien d’Irlande du Nord, a fait une percée importante en 1964, en concevant un test théorique pour montrer que les variables cachées qu’Einstein avait en tête n’existent pas.

Selon la mécanique quantique, les particules peuvent être « enchevêtrées », connectées de manière fantasmagorique de sorte que si vous manipulez l’une, vous manipulez automatiquement et immédiatement l’autre. Si cette effrayante – des particules éloignées s’influencent mystérieusement les unes les autres instantanément – devait être expliquée par les particules communiquant entre elles par des variables cachées, cela nécessiterait une communication plus rapide que la lumière entre les deux, ce que les théories d’Einstein interdisent.

L’intrication quantique est un concept difficile à comprendre, reliant essentiellement les propriétés des particules, quelle que soit leur distance. Imaginez une ampoule qui émet deux photons (particules de lumière) qui voyagent dans des directions opposées loin d’elle.

Si ces photons sont intriqués, alors ils peuvent partager une propriété, telle que leur polarisation, quelle que soit leur distance. Bell a imaginé faire des expériences sur ces deux photons séparément et en comparer les résultats pour prouver qu’ils étaient intriqués (vraiment et mystérieusement liés).

Clauser a mis la théorie de Bell en pratique à une époque où faire des expériences sur des photons uniques était presque impensable. En 1972, huit ans seulement après la célèbre expérience de pensée de Bell, Clauser a montré que la lumière pouvait effectivement être intriquée.

Alors que les résultats de Clauser étaient révolutionnaires, il y avait quelques explications alternatives et plus exotiques pour les résultats qu’il a obtenus .

Si la lumière ne se comportait pas tout à fait comme le pensaient les physiciens, peut-être que ses résultats pourraient être expliqués sans enchevêtrement. Ces explications sont connues comme des failles dans le test de Bell, et Aspect a été le premier à contester cela.

Aspect a proposé une expérience ingénieuse pour éliminer l’une des failles potentielles les plus importantes du test de Bell. Il a montré que les photons intriqués dans l’expérience ne communiquaient pas entre eux via des variables cachées pour décider du résultat du test de Bell. Cela signifie qu’ils sont vraiment liés de manière fantasmagorique .

En science, il est extrêmement important de tester les concepts que nous pensons être corrects. Et peu ont joué un rôle plus important dans ce domaine qu’Aspect. La mécanique quantique a été testée à maintes reprises au cours du siècle dernier et s’en est sortie indemne.

Technologie quantique

À ce stade, vous serez peut-être pardonné de vous demander pourquoi le comportement du monde microscopique est important ou que les photons peuvent être intriqués. C’est là que la vision de Zeilinger brille vraiment.

Nous avons autrefois exploité nos connaissances de la mécanique classique pour construire des machines, pour fabriquer des usines, ce qui a conduit à la révolution industrielle. La connaissance du comportement de l’électronique et des semi-conducteurs a conduit la révolution numérique.

Mais comprendre la mécanique quantique nous permet de l’exploiter, de construire des appareils capables de faire de nouvelles choses. En effet, beaucoup pensent qu’il sera le moteur de la prochaine révolution, celle de la technologie quantique.

L’intrication quantique peut être exploitée en informatique pour traiter l’information d’une manière qui n’était pas possible auparavant. La détection de petits changements dans l’enchevêtrement peut permettre aux capteurs de détecter des choses avec une plus grande précision que jamais auparavant. Communiquer avec de la lumière intriquée peut également garantir la sécurité, car les mesures des systèmes quantiques peuvent révéler la présence de l’espion.

Les travaux de Zeilinger ont ouvert la voie à la révolution technologique quantique en montrant comment il est possible de relier entre eux une série de systèmes intriqués, pour construire l’équivalent quantique d’un réseau.

En 2022, ces applications de la mécanique quantique ne relèvent pas de la science-fiction. Nous avons les premiers ordinateurs quantiques . Le satellite Micius utilise l’intrication pour permettre des communications sécurisées à travers le monde. Et les capteurs quantiques sont utilisés dans des applications allant de l’imagerie médicale à la détection de sous-marins.

En fin de compte, le panel Nobel 2022 a reconnu l’importance des fondements pratiques produisant, manipulant et testant l’intrication quantique et la révolution qu’elle contribue à conduire.

Je suis heureux de voir ce trio recevoir le prix. En 2002, j’ai commencé un doctorat à l’Université de Cambridge qui s’est inspiré de leurs travaux. Le but de mon projet était de fabriquer un dispositif semi-conducteur simple pour générer de la lumière intriquée.

Il s’agissait de simplifier considérablement l’équipement nécessaire pour faire des expériences quantiques et de permettre la construction d’appareils pratiques pour des applications dans le monde réel. Notre travail a été couronné de succès et cela m’étonne et m’excite de voir les pas de géant qui ont été franchis dans le domaine depuis.

Robert Jeune

Professeur de physique et directeur du Lancaster Quantum Technology Centre, Université de Lancaster