Gomme quantique

En physique quantique, une gomme quantique est un terme générique pour désigner un dispositif permettant de rétablir un état de superposition quantique alors que celui-ci a été altéré ou supprimé. Ce dispositif est utilisé dans un certain nombre d'expériences visant à illustrer et explorer certaines propriétés de la mécanique quantique, notamment l'intrication quantique et les influences EPR en apparence instantanées, voire rétro-temporelles.

En effet, une caractéristique essentielle d'une gomme quantique (comme tout phénomène physique mettant en jeu l'intrication quantique) est de pouvoir influencer un état quantique de manière non-locale, c'est-à-dire à distance, voire à très grande distance, et sans effet de la distance sur l'expérience. On peut interpréter le fait que la distance soit sans effet comme étant un témoignage d'une influence instantanée, voire en provenance du futur (mais d'autres interprétations sont possibles). Quoi qu'il en soit, l'influence se fait toujours de manière absolument indétectable sans apport d'une information non quantique (typiquement des correlations) en provenance du dispositif lointain. Cette influence se fait donc sans violation de la causalité, ni de l'impossibilité pour un signal de dépasser la vitesse de la lumière et respecte donc les principes connus issus de la relativité restreinte et générale.

Avant de comprendre les enjeux et le fonctionnement d'une gomme quantique, il est nécessaire de rappeler brièvement une expérience fondamentale en physique quantique : les fentes de Young. Dans cette expérience, des photons individuels sont envoyés vers une double fente. Au franchissement des fentes, le photon se trouve dans un état de superposition quantique de deux états : 1) le photon est passé par la fente de droite 2) le photon est passé par la fente de gauche. Cet état de superposition est mis en évidence par l'apparition d'une figure d'interférence sur une plaque photographique située derrière les deux fentes.

Cette figure d'interférence n'apparait que si on ne cherche pas à savoir par quelle fente est passé le photon individuel. Si un détecteur est placé sur les fentes, ou si on utilise un moyen quelconque direct ou indirect permettant de savoir par quelle fente est passé le photon (information "which path", ou "which way" en anglais), l'état de superposition disparait (les deux éventualités ne sont plus possibles) et la figure d'interférence est détruite.

Une variante de l'expérience décrite ci-dessus amène à la gomme quantique. Si, au lieu de détecter le chemin au niveau du passage des fentes, on marque simplement les photons au passage des fentes (sans faire une mesure réelle à ce point) pour avoir la possibilité de détecter, si on le désire, par quelle fente est passé le photon : quelle est la conséquence sur la figure d'interférence ? Dans ce cas également, la simple possibilité de pouvoir déterminer le chemin du photon suffit à détruire la figure d'interférence.

Le point ci-dessus est très important : une mesure quantique (provoquant une décohérence et une réduction du paquet d'onde) ne peut être "gommée". Il n'existe aucune "gomme quantique" permettant d'effacer les conséquences d'une mesure. En revanche un "marquage" peut-il être "gommé" ?

En 1982, Marlan Scully et Kai Drühl se sont demandé quelles seraient les conséquences si, avant (et surtout après, ou ailleurs, dans certaines expériences) de venir impressionner la plaque photographique, l'information "which way" était physiquement brouillée de manière à ne jamais plus pouvoir déterminer par quelle fente est passé le photon. Est-ce que l'état quantique, altéré par un marquage d'information "which way", serait restauré de manière à permettre de nouveau l'interférence ? Ce "brouillage" physique est ce que l'on appelle une gomme quantique.

La gomme quantique semble, à première vue, triviale et sans intérêt particulier : un état quantique altéré est remis en place par l'action d'un dispositif. Mais elle ne l'est plus, et c'est ce qu'avaient prévu Scully et Drühl, si la gomme quantique est mise en action après que le photon a impressionné la plaque photographique, ou si elle est mise en oeuvre de manière non locale, sur un photon intriqué au photon de la plaque photographique.

En 1992 une expérience a été menée pour tester ce cas de figure :

Un émetteur de photon A, émet des photons individuels vers un "convertisseur bas" B. Un "convertisseur bas" réemet deux photons intriqués à partir d'un photon en entrée. Un des photons, appelé photon signal, est dirigé vers un dispositif de fentes de Young C. Des filtres polarisateurs D et E sont placés derrière les fentes afin de "marquer" le passage du photon par l'une ou l'autre fente. Le photon est ensuite détecté sur une plaque photographique en F.

Parallèlement, l'autre photon, appelé photon témoin, est émis vers un détecteur de polarité en I. En G, se situe le dispositif de "gomme quantique", amovible, dont nous parlerons plus loin. Dans un premier temps, nous admettrons que la gomme est absente. La détection en I permet alors de connaître par quelle fente est passée le photon, par effet EPR. En effet, la polarité prise par le photon signal en D ou E influe sur la polarité mesurée du photon témoin (voir aussi expérience d'Aspect sur ce point). Naturellement, cette détection en I brouille la figure d'interférence en F.

Si, maintenant, un polarisateur est placé en G, la polarisation mesurée en I sera alors toujours la même, quelle que soit la polarisation prise par le photon signal en D ou E. Il devient donc impossible de savoir par quelle fente est passé le photon. Ce simple fait rétablit la figure d'interférence en F. C'est ce polarisateur qui est qualifié de gomme quantique.

Si la distance BG est supérieure à la distance BC, la gomme quantique intervient après que le photon signal a impressionné la plaque photographique. Comment le photon signal "sait-il" qu'une gomme quantique a été placée en G, afin de former une figure d'interférence ou non ? Là est toute la difficulté de l'interprétation de cette expérience.

Un reproche (qui avait aussi été adressé aux première expériences EPR, et qui a été résolu par l'expérience d'Aspect) peut être adressé à ce dispositif : même si la distance BG est supérieure à BC, si le polarisateur G est là dès l'émission du photon en A, alors il devient possible d'imaginer que sa présence influe sur ce qui se passe en F. En effet, G et les détecteurs I et F sont reliés physiquement au sein d'un même dispositif matériel, car il est nécessaire de savoir à quel photon en F correspond un photon détecté en I. Donc des correlations artificielles, non quantiques (boucles de masse..), pourraient apparaître entre I et F. Pour évacuer toute possibilité de correlation non quantique entre G/I et F, l'idéal serait de placer/ôter G après que le photon signal a été détecté en F.

C'est pourquoi une expérience de gomme quantique à choix retardé a été tentée par Marlan Scully lui-même, où une gomme quantique entre ou non en action après l'enregistrement en F : c'est l'expérience de Marlan Scully.