Aux échelles atomique et subatomique, les objets se comportent d’une manière qui défie la vision du monde classique basée sur les interactions quotidiennes avec la réalité macroscopique. Un exemple familier est la découverte que les électrons peuvent se comporter à la fois comme des particules et comme des ondes, selon le contexte expérimental dans lequel ils sont observés. Pour expliquer ce phénomène et d’autres, qui semblent contraires aux lois de la physique héritées des siècles précédents, des modèles auto-cohérents mais aux interprétations contradictoires ont été proposés par des scientifiques tels que Louis de Broglie (1892-1987), Niels Bohr (1885 -1962), Erwin Schrödinger (1887-1961) et David Bohm (1917-1992), entre autres.
Cependant, les grands débats qui ont accompagné la formulation de la théorie quantique, impliquant notamment Einstein et Bohr, n’ont pas abouti à des résultats concluants. La plupart des physiciens de la génération suivante ont opté pour des équations issues de cadres théoriques contradictoires sans trop se soucier des concepts philosophiques sous-jacents. Les équations « fonctionnaient », et c’était apparemment suffisant. Divers artefacts technologiques qui sont maintenant triviaux étaient basés sur des applications pratiques de la théorie quantique.
Il est dans la nature humaine de tout remettre en question, et une question clé qui s’est posée plus tard était de savoir pourquoi le comportement étrange, voire contre-intuitif, observé dans les expériences quantiques ne se manifestait pas dans le monde macroscopique. Pour répondre à cette question, ou la contourner, le physicien polonais Wojciech Zurek a développé le concept de « darwinisme quantique ».
En termes simples, l’hypothèse est que l’interaction entre un système physique et son environnement sélectionne certains types de comportement et en exclut d’autres, et que les types de comportement conservés par cette « sélection naturelle » sont précisément ceux qui correspondent à la description classique.
Ainsi, par exemple, lorsque quelqu’un lit ce texte, ses yeux reçoivent des photons qui interagissent avec l’écran de son ordinateur ou de son smartphone. Une autre personne, d’un point de vue différent, recevra des photons différents, mais bien que les particules de l’écran se comportent de manière étrange, produisant potentiellement des images complètement différentes les unes des autres, l’interaction avec l’environnement sélectionne un seul type de comportement et exclut le reste, de sorte que les deux lectures finissent par accéder au même texte.
Cette ligne de recherche théorique a été poursuivie, avec un degré encore plus élevé d’abstraction et de généralisation, dans un article du physicien brésilien Roberto Baldijão publié dans Quantumune revue à comité de lecture en libre accès pour la science quantique et les domaines connexes.
L’article rapporte des découvertes qui font partie du doctorat de Baldijão. recherche, supervisée par Marcelo Terra Cunha, professeur à l’Institut de Mathématiques, Statistiques et Calcul Scientifique de l’Université de Campinas (IMECC-UUNICAMP) au Brésil.
Les co-auteurs de l’article incluent Markus Müller, qui a supervisé le stage de recherche de Baldijão à l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie autrichienne des sciences à Vienne.
« Le darwinisme quantique a été proposé comme mécanisme pour obtenir l’objectivité classique à laquelle nous sommes habitués à partir de systèmes quantiques inhérents. Dans nos recherches, nous avons étudié quels principes physiques pourraient être à l’origine de l’existence d’un tel mécanisme », a déclaré Baldijão.
Dans la conduite de son enquête, il a adopté un formalisme connu sous le nom de théories probabilistes généralisées (TPG). « Ce formalisme nous permet de produire des descriptions mathématiques de différentes théories physiques, et donc de les comparer. Il nous permet également de comprendre quelles théories obéissent à certains principes physiques. La théorie quantique et la théorie classique sont deux exemples de GPT, mais beaucoup d’autres peuvent également être décrit », a-t-il déclaré.
Selon Baldijão, travailler avec les GPT est pratique car cela permet d’obtenir des résultats valables même si la théorie quantique doit être abandonnée à un moment donné. De plus, le cadre permet de mieux appréhender le formalisme quantique en le comparant à ce qu’il n’est pas. Par exemple, il peut être utilisé pour dériver la théorie quantique à partir de principes physiques plus simples sans assumer la théorie à partir de zéro. « Sur la base du formalisme des GPT, nous pouvons découvrir quels principes permettent l’existence du ‘darwinisme’ sans avoir besoin de recourir à la théorie quantique », a-t-il déclaré.
Le résultat paradoxal auquel Baldijão est arrivé dans son enquête théorique était que la théorie classique n’émerge que par «sélection naturelle» à partir de théories présentant certaines caractéristiques non classiques si elles impliquent un «enchevêtrement».
« Étonnamment, la manifestation de comportements classiques via le darwinisme dépend d’une propriété aussi remarquablement non classique que l’intrication », a-t-il déclaré.
L’intrication, qui est un concept clé de la théorie quantique, se produit lorsque des particules sont créées ou interagissent de telle manière que l’état quantique de chaque particule ne peut être décrit indépendamment des autres mais dépend de l’ensemble.
L’exemple le plus célèbre d’intrication est l’expérience de pensée connue sous le nom d’EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). Plusieurs paragraphes sont nécessaires pour l’expliquer. Dans une version simplifiée de l’expérience, Bohm a imaginé une situation dans laquelle deux électrons interagissent et sont ensuite séparés par une distance arbitrairement grande, telle que la distance entre la Terre et la Lune. Si le spin d’un électron est mesuré, il peut être spin up ou spin down, les deux ayant la même probabilité. Les spins électroniques finiront toujours par pointer vers le haut ou vers le bas après une mesure, jamais à un certain angle entre les deux. Cependant, en raison de leur mode d’interaction, les électrons doivent être appariés, c’est-à-dire qu’ils tournent et orbitent dans des directions opposées, quelle que soit la direction de mesure. Lequel des deux sera spin up ou spin down est inconnu, mais les résultats seront toujours opposés en raison de leur intrication.
L’expérience était censée montrer que le formalisme de la théorie quantique était incomplet car l’intrication supposait que l’information voyageait entre les deux particules à une vitesse infinie, ce qui était impossible selon la théorie de la relativité. Comment les particules distantes pourraient-elles « savoir » dans quel sens tourner pour produire des résultats opposés ? L’idée était que des variables cachées agissaient localement derrière la scène quantique et que la vision du monde classique serait justifiée si ces variables étaient prises en compte par une théorie plus globale.
Albert Einstein est mort en 1955. Près d’une décennie plus tard, son argument a été plus ou moins réfuté par John Bell (1928-1990), qui a construit un théorème pour montrer que l’hypothèse qu’une particule a des valeurs définitives indépendamment du processus d’observation est incompatible avec la théorie quantique, tout comme l’impossibilité d’une communication immédiate à distance. En d’autres termes, la non-localité qui caractérise l’intrication n’est pas un défaut mais une caractéristique clé de la théorie quantique.
Quelle que soit son interprétation théorique, l’existence empirique de l’intrication a été démontrée dans plusieurs expériences menées depuis. Préserver l’intrication est désormais le principal défi du développement de l’informatique quantique, car les systèmes quantiques ont tendance à perdre rapidement leur cohérence s’ils interagissent avec l’environnement. Cela nous ramène au darwinisme quantique.
« Dans notre étude, nous avons montré que si un GPT affiche une décohérence, c’est parce qu’il y a une transformation dans la théorie capable de mettre en œuvre le processus idéalisé du darwinisme que nous avons envisagé », a déclaré Baldijão. « De même, si une théorie a une structure suffisante pour permettre un calcul réversible – un calcul qui peut être annulé – alors il existe également une transformation capable de mettre en œuvre le darwinisme. C’est très intéressant, compte tenu des applications informatiques des GPT. »
Comme résultat complémentaire de l’étude, les auteurs proposent un exemple de « darwinisme non quantique » sous la forme d’extensions au modèle jouet de Spekkens, une théorie proposée en 2004 par le physicien canadien Robert Spekkens, actuellement chercheur principal à l’Institut Perimeter. de physique théorique à Waterloo, Ontario. Ce modèle est important pour l’étude approfondie des fondements de la physique quantique car il reproduit de nombreuses formes de comportement quantique sur la base de concepts classiques.
« Le modèle ne présente aucune sorte de non-localité et est incapable de violer les inégalités de Bell », a déclaré Baldijão. « Nous démontrons qu’il peut présenter le darwinisme, et cet exemple montre également que les conditions que nous avons trouvées pour garantir la présence du darwinisme – décohérence ou calcul réversible – sont suffisantes mais pas nécessaires pour que ce processus se produise dans les GPT. »
En tant que chercheur principal du projet financé par la FAPESP, Cunha avait ceci à dire : « La théorie quantique peut être considérée comme une généralisation de la théorie des probabilités, mais elle est loin d’être la seule possible. Les grands défis de notre domaine de recherche consistent à comprendre les propriétés qui distinguer la théorie classique de la théorie quantique dans cet océan de théories possibles. La thèse de doctorat de Baldijão visait à expliquer comment le darwinisme quantique pourrait éliminer l’une des caractéristiques les plus clairement non classiques de la théorie quantique : la contextualité, qui englobe le concept d’intrication.
« Pendant son stage de recherche avec le groupe de Markus Müller à Vienne, Baldijão a travaillé sur quelque chose d’encore plus général : le processus du darwinisme dans les théories probabilistes générales. Ses découvertes nous aident à mieux comprendre la dynamique de certains types de théories, montrant que parce que le darwinisme ne préserve que le le plus apte et crée donc un monde classique, ce n’est pas un processus exclusivement quantique. »
Roberto D. Baldijao et al, Le darwinisme quantique et la diffusion de l’information classique dans les théories non classiques, Quantum (2022). DOI : 10.22331/q-2022-01-31-636
Jonathan Barrett, Traitement de l’information dans les théories probabilistes généralisées, Examen physique A (2007). DOI : 10.1103/PhysRevA.75.032304