L’Univers n’est pas localement réel : une découverte récompensée par le prix Nobel de Physique 2022

Les avancées en physique quantique ne font que remettre en question toutes nos croyances sur le monde qui nous entoure. Cette année, le prix Nobel de Physique récompense un trio de chercheurs ayant mis en évidence de manière irréfutable, après 50 ans de travaux, une réalité plus que controversée : le phénomène d’intrication quantique — où l’état quantique de deux particules est lié quel que soit la distance qui les sépare. Il est à la base du développement des ordinateurs quantiques actuels et a permis de comprendre ce qu’Einstein qualifiait « d’action effrayante à distance ».

Jusqu’à la fin du XIXe siècle, il est considéré que la réalité nous est accessible, et que les scientifiques sont des observateurs extérieurs aux phénomènes qu’ils peuvent alors décrire objectivement. La physique quantique, celle œuvrant au sein de l’infiniment petit, déclenche un vif débat sur le rapport de la science au réel.

En effet, nous pouvons connaître de manière objective le monde qui nous entoure en le mesurant. Mais l’acte de mesurer dans le monde quantique modifie et donc perturbe l’objet étudié. De facto, il est impossible de connaitre son état avant la mesure. D’où la question : les particules sont-elles des « choses » en soi, peut-on leur attribuer une réalité physique autonome en dehors de l’observation ? Einstein s’amusait à dire : « Croyez-vous vraiment que la lune n’est pas là quand vous ne la regardez pas ? ». Ce sont les bases de ce que l’on nomme intrication quantique.

Il faut savoir que l’intrication quantique est le phénomène dans lequel deux particules (ou plus) existent dans un état dit intriqué, c’est-à-dire que malgré la distance qui les sépare, elles se comportent comme un tout : une modification sur l’une d’elles entraine un changement sur l’autre.

Travaillant indépendamment, chacun des trois chercheurs récompensés par le prix Nobel de Physique de 2022, a forgé de nouvelles expériences démontrant et étudiant l’intrication quantique. Si un observateur détermine l’état d’une telle particule, ses homologues intriqués refléteront instantanément cet état, qu’ils se trouvent dans la même pièce que l’observateur ou dans une galaxie de l’autre côté de l’univers ! Leurs résultats ont établi la violation des inégalités dites de Bell et ont ouvert la voie à de nouvelles technologies basées sur l’information quantique, utilisée actuellement pour développer les ordinateurs quantiques, la cryptographie quantique et le futur Internet quantique.

Inégalités de Bell, une démonstration de l’intrication quantique

Élucidée pour la première fois par Erwin Schrödinger en 1935, menant à son célèbre paradoxe du chat, l’intrication a été rejetée par Albert Einstein comme une « action effrayante à distance » et a déclenché un long débat philosophique sur l’interprétation physique de la mécanique quantique. Était-ce une théorie complète, ou l’intrication quantique était-elle due à des « variables cachées », car ses lois n’avaient aucun sens dans le monde macroscopique.

En 1964, le théoricien du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire), John Bell a proposé un théorème connu sous le nom d’inégalités de Bell, qui a permis de mettre cette question à l’épreuve. Concrètement, il explique que si des valeurs cachées sont en jeu, la corrélation entre les résultats d’un grand nombre de mesures ne dépassera jamais une certaine valeur ; à l’inverse, si la mécanique quantique est complète et donc une théorie valide, cette valeur peut être dépassée. C’est effectivement ce qu’il se passe : toutes les expériences qui ont mis en pratique ces inégalités, dont celles des trois nobélisés, montrent qu’elles sont transgressées et que la physique quantique est bien une théorie complète.

Concrètement, John Clauser (JF Clauser & Associates, États-Unis) a été le premier à étudier expérimentalement le théorème de Bell, obtenant des mesures qui violaient clairement une inégalité de Bell et soutenaient ainsi la mécanique quantique. Puis Alain Aspect (Université Paris-Saclay et École Polytechnique, France) a mis les résultats sur un terrain plus solide en imaginant des moyens d’effectuer des mesures de paires de photons intriqués après qu’ils ont quitté leur source, éliminant ainsi les effets du milieu dans lequel ils étaient émis. Finalement, à l’aide d’outils raffinés et d’une longue série d’expériences, Anton Zeilinger (Université de Vienne, Autriche) a commencé à utiliser des états quantiques intriqués pour démontrer, entre autres, la téléportation quantique, qui permet de transférer un état quantique d’une particule à une autre.

Comme le résume le communiqué du CERN, ces expériences délicates et pionnières ont non seulement confirmé la théorie quantique, mais ont également jeté les bases d’un nouveau domaine de la science et de la technologie, qui a des applications dans l’informatique, la communication, la détection et la simulation.

L’Univers n’est pas réel localement, un principe de base de l’informatique quantique

Actuellement, l’intrication est donc acceptée comme l’une des principales caractéristiques de la mécanique quantique et est mise en œuvre dans la cryptographie, l’informatique quantique et un futur « Internet quantique » à hauteur de plus d’un milliard dollars par an. L’un de ses premiers succès en cryptographie est l’envoi de messages à l’aide de paires de photons intriqués, créant des clés cryptographiques de manière sécurisée — toute écoute clandestine détruira l’intrication, alertant le destinataire du piratage.

Il s’agirait ainsi d’une illustration flagrante que l’Univers n’est pas localement réel, démontrée par les scientifiques nobélisés cette année. Comme l’explique un article de Scientific American, « réel » signifie que les objets ont des propriétés définies indépendantes de l’observation : une pomme peut être rouge même lorsque personne ne la regarde, ce qui n’est pas le cas dans le monde quantique. Les propriétés des objets sont interdépendantes de l’observation.

« Local » signifie que les objets ne peuvent être influencés que par leur environnement et que toute influence ne peut pas voyager plus vite que la lumière. Ce n’est également pas le cas en physique quantique « à cause » de l’intrication quantique. Le trio de scientifiques a ainsi démontré que les objets ne sont pas influencés uniquement par leur environnement, une modification sur une particule se répercutera sur sa particule intriquée, distante de plusieurs années-lumière par exemple.

En 2017, le Dr Zeilinger a utilisé cette technique via un satellite chinois appelé Micius pour avoir une conversation vidéo cryptée de 15 minutes avec Jian-Wei Pan de l’Académie chinoise des sciences, l’un de ses anciens étudiants. Le satellite, construit en partie grâce aux découvertes de John Clauser, utilise plusieurs propriétés de la mécanique quantique appliquée aux photons, les particules élémentaires de la lumière. Le satellite est capable de fabriquer et d’émettre des paires de photons intriqués, dans deux télescopes séparés de 1203 kilomètres.

Bien qu’il ait reconnu que le prix honorait les applications futures de son travail, le Dr Zeilinger souligne dans une interview au New-York Times : « Mon conseil serait : faites ce que vous trouvez intéressant et ne vous souciez pas trop des applications possibles ». De son côté, le Dr Clauser déclare : « J’avoue encore aujourd’hui que je ne comprends toujours pas la mécanique quantique, et je ne suis même pas sûr de savoir vraiment bien l’utiliser ».

Néanmoins, dans un article de SciencesNews, Nicolas Gisin, physicien à l’Université de Genève en Suisse souligne : « Ce prix est très mérité, mais arrive un peu tard. La majorité ce travail a été fait dans les [années 1970 et 1980], mais le comité Nobel a été très lent et se précipite maintenant après le boom des technologies quantiques ».

Ce boom se produit à l’échelle mondiale. Gisin conclut : « Aux États-Unis, en Europe et en Chine, des milliards – littéralement des milliards de dollars sont versés dans ce domaine. Donc, ça change complètement. Au lieu d’avoir quelques individus pionniers dans le domaine, nous avons maintenant de très grandes foules de physiciens et d’ingénieurs qui travaillent ensemble ».

Bien que certaines des applications quantiques en soient à leurs balbutiements, les expériences de Clauser, Aspect et Zeilinger, introduisent la mécanique quantique et ses implications dans le monde macroscopique. Leurs contributions valident certaines des idées clés, autrefois controversées, de la mécanique quantique, et promettent de nouvelles applications qui pourraient un jour se retrouver dans la vie quotidienne.