Pour illustrer le principe de superposition quantique et le problème de la mesure, en 1935, le physicien Erwin Schrödinger invente une expérience de pensée devenue par la suite célèbre sous le nom de Chat de Schrödinger. Dans sa boîte, le chat est à la fois vivant et mort, et seule l’observation (l’action de regarder à l’intérieur de la boîte) sélectionne l’un des deux états. Cependant, dans une étude récente, des physiciens théoriciens ont mis en évidence un moyen de pouvoir observer le chat sans pour autant “risquer de le tuer”.

« Nous pensons généralement que le prix que nous payons pour observer notre environnement n’est rien » déclare l’auteur principal de l’étude, Holger F. Hofmann, professeur agrégé de physique à l’université d’Hiroshima au Japon. « Ce n’est pas correct. Pour regarder, vous devez avoir de la lumière, et la lumière change l’objet. En effet, même un seul photon de lumière transfère de l’énergie à l’objet que vous regardez ».

Hofmann et Kartik Patekar on développé un cadre mathématique qui sépare l’interaction initiale (regarder le chat) du résultat de cette interaction (vivant ou mort). « Notre principale motivation était de regarder très attentivement la manière dont une mesure quantique est réalisée. Et le point clé est que nous séparons la mesure en deux étapes » explique Hofmann. L’article a été publié dans la revue New Journal of Physics.

chat schrodinger

Dans l’expérience du chat de Schrödinger, tant qu’aucun observateur ne regarde à l’intérieur de la boîte, le chat est simultanément mort et vivant, car l’atome radioactif (détecté ou non par le compteur Geiger qui déclenche le mécanisme tuant le chat) est simultanément intact et désintégré. Crédits : astronimate.com

Avant de lire cet article, nous vous conseillons (pour mieux comprendre) : Qu’est-ce que l’expérience du Chat de Schrödinger ?

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La préservation de l’information sur l’état du chat

Ce faisant, Hoffman et Patekar peuvent supposer que tous les photons impliqués dans l’interaction initiale sont capturés sans perdre d’information sur l’état du chat. Donc, avant la lecture de ces informations, tout ce qu’il y a à savoir sur l’état du chat (et sur la manière dont il a changé) est toujours disponible. Ce n’est que lorsque nous lisons les informations que nous en perdons une partie. « Ce qui est intéressant, c’est que le processus de lecture sélectionne l’un des deux types d’informations et efface complètement l’autre ».

Supposez que le chat est toujours dans la boîte, mais plutôt que de regarder à l’intérieur pour déterminer s’il est vivant ou mort, vous installez une caméra en dehors de la boîte, qui peut en quelque sorte prendre une photo à l’intérieur. Une fois la photo prise, l’appareil photo dispose de deux types d’informations : comment le chat a changé à la suite de la prise de la photo (ce que les chercheurs appellent une étiquette quantique) et si le chat est vivant ou mort après l’interaction.

Aucune de ces informations n’a encore été perdue. Et en fonction de la manière dont vous choisissez de « développer » l’image, vous récupérez l’une ou l’autre information.

Pensez à une pièce de monnaie. Vous pouvez choisir de savoir si une pièce de monnaie a été retournée ou si elle est actuellement pile ou face. Mais vous ne pouvez pas connaître les deux. De plus, si vous savez comment un système quantique a été modifié et si ce changement est réversible, il est alors possible de restaurer son état initial.

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Un compromis entre résolution et perturbation

De manière cruciale, le choix de la lecture vient avec un compromis entre la résolution de la mesure et sa perturbation, qui sont exactement égales. La résolution fait référence à la quantité d’informations extraites du système quantique et la perturbation à la quantité de modifications irréversibles apportées au système. En d’autres termes, plus vous en savez sur l’état actuel du chat, plus vous l’avez irréversiblement modifié.

« Ce qui m’a surpris, c’est que la capacité à annuler la perturbation est directement liée à la quantité d’informations que vous obtenez sur l’observable » déclare Hofmann. Bien que des travaux antérieurs aient montré un compromis entre résolution et perturbation dans une mesure quantique, cet article est le premier à quantifier la relation exacte, selon Michael Hall, physicien théoricien à l’Université nationale australienne.

Sources : New Journal of Physics

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