La réalité est un terme polysémique qui, pour certains, tient plus de la philosophie voire de la métaphysique, que de la véritable science. Dans le cadre de la mécanique quantique, où l’observateur influence son environnement, toute action de mesure entraîne la sélection d’un état fixe au sein d’un système quantique. La mécanique quantique étant fondamentalement probabiliste, le résultat de la mesure est dès lors différent pour chaque observateur, comme l’a énoncé le physicien Eugène Wigner en 1961. Quelle est donc l’implication de ce postulat concernant la réalité du monde physique ?
Jusqu’à l’arrivée de la physique quantique dans les années 1920, les physiciens s’attendaient à ce que leurs théories soient déterministes, générant avec certitude des prédictions sur le résultat des expériences. Mais la théorie quantique semble être intrinsèquement probabiliste. L’interprétation de Copenhague dit que tant que les propriétés d’un système ne sont pas mesurées, elles peuvent prendre une myriade de valeurs. Cette superposition ne s’effondre en un seul état que lorsque le système est observé, et les physiciens ne peuvent jamais prédire précisément ce que sera cet état. Wigner avait alors l’opinion populaire selon laquelle la conscience déclenche en quelque sorte l’effondrement de la superposition.
Cette opinion est depuis tombée en disgrâce. Aujourd’hui, la plupart des physiciens conviennent que les objets inanimés peuvent éliminer la superposition des systèmes quantiques grâce à un processus appelé décohérence. Certes, les chercheurs qui tentent de manipuler des superpositions quantiques complexes en laboratoire peuvent constater que leur travail acharné est détruit par des particules entrant en collision avec leurs systèmes. Ils effectuent donc leurs tests à des températures ultrafroides et tentent d’isoler leurs appareils des vibrations.
Plusieurs interprétations quantiques concurrentes ont vu le jour au cours des décennies qui utilisent des mécanismes moins mystiques, tels que la décohérence, pour expliquer comment les superpositions se décomposent sans invoquer la conscience. D’autres interprétations soutiennent la position encore plus radicale qu’il n’y a pas d’effondrement du tout. Chacun a sa propre vision du test de Wigner.
L’expérience de Wigner et son ami
L’expérience de pensée originale de Wigner est simple en principe. Cela commence par un seul photon polarisé qui, lorsqu’il est mesuré, peut avoir une polarisation horizontale ou verticale. Mais avant la mesure, selon les lois de la mécanique quantique, le photon existe dans les deux états de polarisation en même temps ; c’est le principe de superposition.
Wigner a imaginé un ami dans un laboratoire différent, mesurant l’état de ce photon et stockant le résultat, tandis que Wigner l’observait de loin. Wigner n’a aucune information sur la mesure de son ami et doit donc supposer que le photon et sa mesure se superposent à tous les résultats possibles de l’expérience. Wigner peut même effectuer une expérience pour déterminer si cette superposition existe ou non.
C’est une sorte d’expérience d’interférence montrant que le photon et la mesure sont bien en superposition. Du point de vue de Wigner, c’est un « fait », la superposition existe. Et ce fait suggère qu’une mesure ne peut pas avoir eu lieu. Mais ceci contraste avec le point de vue de l’ami, qui a effectivement mesuré la polarisation du photon et l’a enregistrée. L’ami peut même appeler Wigner et dire que la mesure a été effectuée (à condition que le résultat ne soit pas révélé). Donc, les deux réalités sont en désaccord.
Une variante de l’expérience de Wigner impliquant l’intrication quantique
Le problème est que chaque interprétation est tout aussi bonne — ou mauvaise — pour prédire le résultat des tests quantiques. « Personne ne sait quelle est la solution. Nous ne savons même pas si la liste des solutions potentielles dont nous disposons est exhaustive », indique le physicien quantique Aephraim Steinberg.
Tischler et ses collègues pensaient que l’analyse et la réalisation d’une expérience de Wigner pouvait faire la lumière sur les limites de la théorie quantique. Ils ont été inspirés par une nouvelle vague d’articles théoriques et expérimentaux qui ont étudié le rôle de l’observateur dans la mécanique quantique, en introduisant l’intrication dans la configuration classique de Wigner.
Supposons que vous preniez deux photons qui sont polarisés afin qu’ils puissent osciller horizontalement ou verticalement. Les photons peuvent également être placés dans une superposition d’oscillations à la fois horizontalement et verticalement, tout comme le chat paradoxal de Schrödinger peut être à la fois vivant et mort avant qu’il ne soit observé. De telles paires de photons peuvent être intriquées de sorte que leurs polarisations se trouvent toujours dans la direction opposée lorsqu’elles sont observées. Cela peut ne pas sembler étrange, à moins que vous ne vous rappeliez que ces propriétés ne sont pas fixées tant qu’elles ne sont pas mesurées.
Même si un photon est donné à une physicienne appelée Alice en Australie, tandis que l’autre est transporté chez son collègue Bob dans un laboratoire de Vienne, l’intrication garantit que dès qu’Alice observe son photon et, par exemple, trouve sa polarisation horizontale, la polarisation du photon de Bob se synchronise instantanément pour osciller verticalement.
Aller au-delà des inégalités de Bell pour déterminer un seuil d’amitié locale
L’objectif de l’équipe de Brisbane était de dériver et de tester un nouveau théorème allant au-delà des précédents tests de Bell, en fournissant des contraintes encore plus strictes — des limites « d’amitié locale » — sur la nature de la réalité. Comme la théorie de Bell, celle des chercheurs est locale. Ils interdisent aussi explicitement le « superdéterminisme » — c’est-à-dire qu’ils insistent sur le fait que les expérimentateurs sont libres de choisir ce qu’ils doivent mesurer sans être influencés par les événements du futur ou du passé lointain.
Enfin, l’équipe considère que lorsqu’un observateur effectue une mesure, le résultat est un événement réel et unique dans le monde — il n’est relatif à personne ou à quoi que ce soit. Tester l’amitié locale nécessite une configuration astucieuse impliquant deux « super-observateurs », Alice et Bob (qui jouent le rôle de Wigner), qui surveillent leurs amis Charlie et Debbie. Alice et Bob ont chacun leur propre interféromètre — un appareil utilisé pour manipuler des faisceaux de photons.
Avant d’être mesurées, les polarisations des photons sont superposées, à la fois horizontales et verticales. Les paires de photons intriqués sont préparées de telle sorte que si la polarisation de l’un est mesurée comme étant horizontale, la polarisation de son partenaire doit immédiatement basculer pour être verticale. Un photon de chaque paire intriquée est envoyé dans l’interféromètre d’Alice et son partenaire est envoyé à Bob.
Sur le même sujet : Une expérience quantique confirme qu’il n’existe pas de « réalité » objective
Charlie et Debbie ne sont pas réellement des amis humains dans ce test. Ce sont plutôt des déplaceurs de faisceau à l’avant de chaque interféromètre. Lorsque le photon d’Alice frappe le déplaceur, sa polarisation est effectivement mesurée et il dévie soit vers la gauche, soit vers la droite, selon la direction de la polarisation. Cette action joue le rôle de Charlie, l’ami d’Alice, qui « mesure » la polarisation. (Debbie réside également dans l’interféromètre de Bob.)
Alice doit alors faire un choix : elle peut mesurer immédiatement le nouveau chemin dévié du photon, ce qui équivaudrait à ouvrir la porte du laboratoire et à demander à Charlie ce qu’il a vu. Ou elle peut permettre au photon de continuer son voyage, en passant par un deuxième déplaceur de faisceau qui recombine les chemins gauche et droit — l’équivalent de garder la porte du laboratoire fermée. Alice peut alors mesurer directement la polarisation de son photon à la sortie de l’interféromètre.
La violation des limites d’amitié locale
Tout au long de l’expérience, Alice et Bob choisissent indépendamment les mesures à faire, puis comparent les notes pour calculer les corrélations observées à travers une série de paires intriquées. Tischler et ses collègues ont réalisé 90’000 essais sur l’expérience. Comme prévu, les corrélations ont violé les limites initiales de Bell — et surtout, elles ont également violé le nouveau seuil d’amitié locale.
L’équipe pourrait également modifier la configuration pour réduire le degré d’intrication entre les photons en envoyant l’une des paires sur un détour avant qu’elle n’entre dans son interféromètre, perturbant doucement l’harmonie parfaite entre les partenaires. Lorsque les chercheurs ont mené l’expérience avec ce niveau d’intrication légèrement inférieur, ils ont trouvé un point où les corrélations violaient toujours la limite de Bell, mais pas l’amitié locale.
Ce résultat a prouvé que les deux ensembles de limites ne sont pas équivalents et que les nouvelles contraintes d’amitié locale sont plus fortes, dit Tischler. « Si vous les violez, vous en apprenez davantage sur la réalité ». À savoir, si votre théorie dit que les « amis » peuvent être traités comme des systèmes quantiques, alors vous devez soit abandonner la localité, accepter que les mesures n’aient pas un seul résultat sur lequel les observateurs doivent s’accorder ou autoriser le superdéterminisme. Chacune de ces options a des implications profondes.
Une nécessité de reconsidérer la réalité ?
Vaidman, qui n’était pas impliqué dans le travail, en est cependant moins enthousiasmé et critique l’identification de l’ami de Wigner à un photon. Les méthodes utilisées dans l’article « sont ridicules ; l’ami doit être macroscopique », dit-il. Le philosophe des sciences Tim Maudlin de l’Université de New York, qui ne faisait pas partie de l’étude, est d’accord. « Personne ne pense qu’un photon est un observateur, sauf si vous êtes panpsychique », dit-il.
La clé pour les futures expériences sera d’augmenter la taille de « l’ami », ajoute Howard Wiseman, un physicien de l’Université Griffith, membre de l’équipe. Le résultat le plus impressionnant impliquerait l’utilisation d’une intelligence artificielle, incarnée sur un ordinateur quantique, comme ami. Certains philosophes ont pensé qu’une telle machine pourrait avoir des expériences humaines, une position connue sous le nom d’hypothèse forte de l’IA, bien que personne ne sache encore si cette idée se révélera vraie.
Mais si l’hypothèse se vérifie, cette intelligence générale artificielle (AGI) quantique serait microscopique. Donc, du point de vue des modèles d’effondrement spontané, cela ne déclencherait pas d’effondrement en raison de sa taille. Si un tel test était exécuté et que la limite d’amitié locale n’était pas violée, ce résultat impliquerait que la conscience d’une AGI ne peut pas être superposée. À son tour, cette conclusion suggérerait que Wigner avait raison de dire que la conscience provoque l’effondrement. « Je ne pense pas que je vivrai assez longtemps pour voir une expérience comme celle-ci. Mais ce serait révolutionnaire », déclare Wiseman.
