La théorie quantique prédit l’existence d’états dits intriqués tripartites, dans lesquels trois particules quantiques sont liées d’une manière qui n’a pas d’équivalent en physique classique. Les physiciens théoriciens aimeraient comprendre dans quelle mesure de nouvelles théories, alternatives à la théorie quantique, pourraient reproduire le comportement de ces états.
John Clauser, Alain Aspect et Anton Zeilinger, dont les travaux ont été récemment reconnus par le Comité Nobel, ont prouvé expérimentalement le théorème de Bell, montrant qu’aucune alternative à variable cachée locale à la théorie quantique ne peut reproduire ce comportement. En d’autres termes, ils ont montré que les corrélations quantiques ne sont pas locales.
Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine, de l’Institut des sciences photoniques, de l’Università della Svizzera Italiana et du Perimeter Institute of Theoretical Physics ont récemment mené une étude expérimentale généralisant ces résultats, en considérant de nouvelles théories potentielles. Leurs conclusions, publiées dans Lettres d’examen physiquesuggèrent que les corrélations obtenues par l’état tripartite intriqué utilisé dans leur expérience ne peuvent pas être expliquées par une théorie hypothétique impliquant une généralisation de l’intrication bipartite, appelée « sources exotiques de deux particules », en plus d’une théorie locale des variables cachées.
« L’objectif principal de notre étude était de prouver que le comportement d’une source quantique à trois particules (par exemple, une source de trois photons) ne peut être reproduit par aucune nouvelle théorie hypothétique (remplaçant la théorie quantique, encore à découvrir) qui n’implique qu’une théorie exotique. des paires de deux particules décrites par de nouvelles lois physiques et un modèle de variables cachées locales », a déclaré Marc-Olivier Renou, l’un des auteurs de l’article, à Phys.org.
Gaël Massé, un deuxième auteur, explique : « Pour ce faire, nous avons utilisé l’idée contenue dans la ‘technique de l’inflation’, inventée par Elie Wolfe, l’un de nos coauteurs. Si nous imaginons une paire de deux particules décrites par de nouvelles lois physiques, alors même si nous n’avons aucune idée de comment les décrire, nous pouvons toujours créer une copie de cette paire et faire interagir toutes les particules ensemble d’une nouvelle manière.Bien que cette technique semble élémentaire, elle s’est souvent révélée être un outil très puissant pour traiter concepts théoriques abstraits.
Dans leur article, les chercheurs ont d’abord dérivé un nouveau témoin indépendant de l’appareil qui pourrait falsifier les théories causales avec des ressources bipartites non classiques. Puis, à travers une expérience de laboratoire réalisée par Huan Cao et Chao Zhang, ils ont montré que certains états tripartites intriqués (appelés « état GHZ ») pouvaient obtenir, en pratique, des corrélations qui violent ce témoin.
« En utilisant un état photonique GHZ3 haute performance avec des fidélités de 0,9741 ± 0,002, nous fournissons une violation expérimentale claire de ce témoin de plus de 26,3 écarts-types, sous l’hypothèse de localité et d’échantillonnage équitable », a expliqué l’équipe dans son article. « Nous généralisons notre Lettre à l’état |GHZ4⟩, obtenant des corrélations qui ne peuvent être expliquées par aucune théorie causale limitée aux causes communes tripartites non classiques assistées d’un hasard partagé illimité. »
Le travail récent est une généralisation du théorème de Bell. Sa réalisation la plus remarquable est qu’elle va au-delà de ce que les physiciens pensaient auparavant être possible en contraignant les théories alternatives potentielles à la théorie quantique.
« Bell a exclu la possibilité que les corrélations quantiques puissent être expliquées par un modèle de variable cachée locale (c’est-à-dire un caractère aléatoire partagé) », explique Xavier Coiteux-Roy, co-auteur de l’étude. « Nous sommes allés un peu plus loin, en prouvant que même si vous ajoutez des « sources exotiques bipartites » dans votre théorie, cela ne fonctionne toujours pas. En fait, nous avons généralisé le résultat, en montrant que si vous ajoutez des sources exotiques tripartites, quadripartites et autres sources, cela ne fonctionne toujours pas. Vous devez vraiment impliquer des sources exotiques N-partites pour tout N, quelle que soit sa valeur, comme le fait la théorie quantique. Il conclut: « Notez que l’expérience a des imperfections, appelées failles. Réaliser une expérience sans ces failles, en particulier la faille post-sélection, est un grand défi pour les expérimentateurs pour les prochaines années. »
Sur la base de leurs découvertes, l’équipe a conclu que les corrélations de la nature sont véritablement multipartites non locales. Les expériences qu’ils ont menées jusqu’à présent leur ont permis d’exclure définitivement les théories des sources exotiques bipartites et tripartites, mais ils songent maintenant à évaluer d’autres alternatives à la théorie quantique.
« Nous essayons maintenant de comprendre jusqu’où cette idée peut aller, et jusqu’où nous pouvons exclure des alternatives potentielles à la théorie quantique en regardant simplement des résultats expérimentaux concrets, sans supposer qu’ils sont expliqués par la théorie quantique », a ajouté Renou. « Cela pourrait éventuellement nous permettre d’exclure toutes les alternatives potentielles à la théorie quantique. »
Plus d’information:
Huan Cao et al, Démonstration expérimentale qu’aucune théorie causale tripartite-non locale n’explique les corrélations de la nature, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.150402
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