Une nouvelle preuve du caractère quantique du monde

Publié par Michel le 03/06/2010 à 00:00
Source et illustration: CEA
Des chercheurs du CEA Iramis [1] apportent une nouvelle preuve du caractère quantique du monde, même à notre échelle. Ils ont observé, pour la première fois, que des mesures successives sur un objet macroscopique (ici, un circuit électrique supraconducteur [2]) peuvent contredire une propriété mathématique démontrée pour tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) système se comportant suivant les lois de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) classique, et connue sous le nom "d'inégalité de Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935....) en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...)". Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Physics du 1er juin 2010.

Depuis le début du 20ème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), un débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance,...) philosophique autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du concept de réalisme [3] du monde (Le mot monde peut désigner :) anime les physiciens. Les propriétés des objets existent-t-elles avant d'avoir été mesurées ou sont-elles au contraire définies par des superpositions d'états ? Concrètement, un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) peut-il, par exemple, se trouver simultanément à deux endroits différents avant d'avoir été observé ?

Pour formaliser ce débat, le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) John Bell établit en 1964 des inégalités en supposant que le monde est régi par la physique dite "classique". Ces inégalités sont clairement réfutées expérimentalement pour la première fois par l'équipe d'Alain Aspect (Alain Aspect est un physicien français né en 1947. Il est reconnu, entre autre, pour avoir...), dans les années 1980: l'étude de deux photons corrélés [4], séparés par une grande distance, révèle ainsi la nature intrinsèquement quantique du monde: deux objets peuvent être si intimement "enchevêtrés" que parler de l'état de chacun d'eux n'a plus de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...), même lorsqu'ils sont très éloignés l'un de l'autre.

En 1985, le physicien Anthony Leggett (Sir Anthony James Leggett (26 mars 1938) est un physicien américano-britannique...) propose une inégalité similaire à celle de Bell, appliquée cette fois, non pas à deux objets séparés spatialement, mais à un unique objet mesuré à des instants successifs, d'où le nom d'"inégalité de Bell en temps". Cette inégalité, qui n'avait jusqu'alors jamais été réfutée expérimentalement, vient d'être testée et "violée" pour la première fois par un groupe de chercheurs du CEA.

L'originalité de leurs résultats repose, entre autres, sur le choix du système étudié: au lieu d'utiliser un objet naturellement quantique comme un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...), un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) ou un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...), les chercheurs ont testé un circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants...) macroscopique composé de jonctions Josephson [5] et de condensateurs. En mesurant ce circuit, ils réussissent à réfuter l'inégalité de Bell en temps, montrant ainsi la nature "véritablement" quantique du circuit: il n'a pas d'état électrique bien défini s'il n'est pas mesuré, et ne peut être mesuré sans que son évolution temporelle n'en soit profondément modifiée.

Si elle apporte une nouvelle vérification originale des propriétés fascinantes du monde quantique, cette première violation de l'inégalité de Bell en temps ouvre aussi la voie à de nouvelles pistes de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...). "Nous nous demandons notamment si la méthode de mesure utilisée ne pourrait pas servir à conserver par "rétro-action quantique" [6] une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) d'états électriques, en dépit des perturbations inévitables de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) qui tendent à la détruire", précise Agustin Palacios-Laloy, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au CEA Iramis. "Une telle maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) pourrait déboucher sur des applications en traitement quantique de l'information", conclut-il.

L'inégalité de Leggett stipule (En botanique, les stipules sont des pièces foliaires, au nombre de deux, en forme de feuilles...) qu'une certaine quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) fL(t), calculée à partir de mesures successives sur un objet classique, doit rester inférieure à 1 (région blanche). La mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) prédit à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) (courbe bleue) que fL(t) peut dépasser 1 (région jaune). Les mesures (points et barrettes d'incertitudes rouges) effectuées par les chercheurs du CEA suivent la prédiction quantique. Le point (Graphie) désigné par la flèche verte réfute de plus l'inégalité établie par Leggett. Le circuit électrique étudié est donc "véritablement" quantique, dans le sens où il n'obéit pas au réalisme: son état électrique n'existe pas s'il n'est pas mesuré et sa mesure le perturbe de manière fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.).


Notes:

[1] Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) Saclay (http://iramis.cea.fr/), en collaboration avec le physicien théoricien A. Korotkov de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Riverside de Californie.
[2] Supraconducteur: matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) conduisant l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) sans résistance, et donc sans perte d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) par échauffement.
[3] Réalisme: propriété du monde selon laquelle les propriétés d'un objet existent indépendamment de leur observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...). La physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...) est une science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) qui décrit le monde comme non réaliste et probabiliste.
[4] Paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) de photons corrélés: deux grains de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) produits simultanément par une même source, et ayant des polarisations opposées.
[5] Jonction Josephson: dipôle électrique (Le dipôle électrique est un conducteur électrique possédant deux bornes.) constitué de deux électrodes supraconductrices séparées par une mince barrière isolante.
[6] Rétro-action quantique: procédé consistant à mesurer faiblement et continument un objet quantique, et à rétroagir sur lui en fonction de l'information acquise.



Référence:

Experimental violation of a Bell's inequality in time with weak measurement, Agustin Palacios-Laloy, François Mallet, François Nguyen, Patrice Bertet, Denis Vion, Daniel Estève and Alexander Korotkov.
Nature Physics, 1er juin 2010
http://www.nature.com/nphys/journal/vao ... s1641.html

Pour en savoir plus:

Point de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) du physicien Johan E. Mooij, de l'Université de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Delft:
http://www.nature.com/nphys/journal/v6/ ... s1698.html
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