Un chercheur étudie comment vous pouvez élargir votre esprit pour comprendre l’intrication quantique

Mon nouvel article, « Quantum Entanglement of Optical Photons: The First Experiment, 1964–67 », a pour but de transmettre l’esprit d’un petit projet de recherche qui s’aventure en territoire inconnu. L’article rompt avec la tradition, car il propose un compte rendu à la première personne de la stratégie et des défis de l’expérience, ainsi qu’une interprétation du résultat final et de sa signification. Dans cet éditorial invité, je présenterai le sujet et tenterai également d’éclairer la question « Qu’est-ce qu’un paradoxe ? »

Commençons par le gyroscope que j’ai acheté à l’âge de huit ans dans un magasin de gadgets et de tours de magie. Le disque rotatif, soutenu par une extrémité de son axe, ne tombait pas, mais se déplaçait lentement sur un plan horizontal. Ce comportement semble mystérieux ou paradoxal dans le contexte de l’expérience courante qui exclut les gyroscopes, mais prend tout son sens dans le contexte de la mécanique newtonienne, qui résout le paradoxe en prédisant précisément comment les gyroscopes se comporteront.

La théorie quantique, conçue au milieu des années 1920, a réussi de manière impressionnante à rendre compte des propriétés et des interactions des atomes et des molécules. En 1935, Einstein, Podolsky et Rosen ont suscité la controverse avec une expérience de pensée dans laquelle deux particules d’origine commune s’écartent, en faisant remarquer que la théorie quantique prédit des corrélations dans les mesures ultérieures de leurs spins. La corrélation peut sembler assez déroutante, car une mesure sur l’une des particules semble influencer une mesure ultérieure sur l’autre, même si les particules n’interagissent pas.

Dans la terminologie actuelle, ces corrélations sont un exemple d’intrication, et le phénomène de corrélation est connu sous le nom de paradoxe EPR. Ce casse-tête est devenu un sujet de discussion et d’analyse important, notamment parce qu’il n’existait (et n’existe) aucun mécanisme connu permettant aux mesures de communiquer entre elles.

Démêler l’enchevêtrement

En 1964, j’ai été intrigué par cet effet inconnu et j’ai commencé à réfléchir à une manière de réaliser l’expérience EPR – ou du moins une version de celle-ci – en observant la corrélation et l’intrication. Il s’agirait d’une expérience à faible énergie qui pourrait être mise en place dans un petit laboratoire.

Pour l’expérience décrite ici, les particules d’intérêt sont des photons de lumière visible, qui ne sont pas interactifs, émis par des atomes de calcium excités dans un processus d’émission spontanée en deux étapes. Les états de polarisation des photons, qui sont liés à leurs spins, peuvent être mesurés simplement, avec des polariseurs linéaires ordinaires. Des détecteurs photomultiplicateurs comptent les photons individuels, #1 (vert) et #2 (violet), et des circuits de chronométrage permettent d’identifier les paires de photons provenant du même atome. Un polariseur linéaire rotatif est monté devant chaque détecteur.

En termes simples, l’expérience consiste à compter le taux de détection des paires de photons, en fonction de l’orientation des polariseurs. Une paire de photons détectée à partir du même atome est enregistrée comme un « comptage de coïncidences ».

La théorie quantique fait les prédictions suivantes :

Les prédictions n°1 et n°2 ne sont pas surprenantes, car les faisceaux de lumière verte et violette ne sont pas polarisés.

La prédiction n°3, évoquée plus loin dans mon article, est un effet d’intrication quantique sans équivalent en physique classique (non quantique). Elle est particulièrement intéressante car elle peut être testée expérimentalement. J’ai conçu l’expérience spécifiquement à cet effet.

Les résultats de l’expérience, après près de trois ans d’efforts en laboratoire, démontrent clairement que les coïncidences sont enregistrées si les axes des polariseurs sont parallèles, et qu’aucune coïncidence n’est enregistrée si les polariseurs sont perpendiculaires. La concordance entre la théorie et l’expérience est sans équivoque et frappante.

Alors, y a-t-il un paradoxe ?

Dans notre brève discussion sur le gyroscope, nous n’avons pas reconnu de paradoxe, car la théorie de Newton (dynamique classique) explique parfaitement comment un gyroscope se déplace. De plus, la théorie et le comportement gyroscopique observé sont tous deux compatibles avec notre expérience de vie et notre capacité intuitive à saisir les processus naturels dans le domaine classique.

Dans le cas de l’intrication, la théorie quantique rend compte de la corrélation observée des polarisations des photons. Mais même lorsqu’une théorie prédit des résultats expérimentaux, un paradoxe peut subsister si l’intuition ne parvient pas à s’y connecter.

Jetez un autre coup d’œil aux prédictions n°1 et n°3 ci-dessus. Si nous nous appuyons sur notre expérience de la vie dans un monde non quantique, nous pouvons remarquer quelque chose de très étrange lorsque les polariseurs sont « croisés » à 90 degrés. Si chaque photon a 50 % de chances d’être transmis à travers son polariseur, pourquoi n’obtenons-nous pas de coïncidences 25 % du temps ? Au lieu de cela, nous n’en observons aucune du tout.

À première vue, cela semble être un paradoxe. Une explication possible pourrait être un élément manquant de la théorie quantique, peut-être un mécanisme causal qui permettrait à un photon, ou à une mesure, de communiquer avec l’autre. Cependant, malgré des recherches approfondies, aucune preuve d’un tel mécanisme n’a été trouvée.

Comme nous ne vivons pas dans un monde ouvertement quantique, les phénomènes classiques peuvent influencer nos processus de pensée, même lorsque nous nous aventurons dans le domaine quantique. Il peut donc rester difficile d’assimiler l’intrication à l’intuition. Je crois que le paradoxe peut être au moins partiellement résolu lorsque des réflexions et des expériences plus poussées, telles que l’expérience considérée ici, « étirent l’esprit » pour embrasser plus pleinement l’intrication et d’autres phénomènes quantiques.

J’en suis venue à considérer ces aspects de la nature comme « étrangement merveilleux ».